Yang-Kook Sun院士最新Nature子刊: 用于钠离子电池的高能量密度和长循环寿命的O3型层状正极材料

【科学背景】

在钠离子电池的众多正极材料体系中，O3型层状氧化物凭借其低成本与高能量密度的显著优势，吸引了众多研究者的目光，成为该领域的研究热点。然而，这类材料在实际应用中面临着一个严峻挑战：在长期循环过程中，电池容量出现快速衰减的现象，严重制约了其商业化进程。深入研究发现，这一问题的根源在于充放电过程中Na⁺离子分布不均，导致材料内部应力分布失衡，进而引发微裂纹；微裂纹的不断扩展与累积最终致使材料发生机械失效，造成电池容量的不可逆损失。

【创新成果】

近日，韩国汉阳大学的 Yang-Kook Sun 教授团队通过界面重构策略成功研发出一种兼具高能量密度与长循环寿命的O3型复合正极材料。精心定制的界面重构层由快离子导体NaCaPO₄表面包覆层与梯度Ca²⁺掺杂内界面层协同构成；其中，NaCaPO₄表面包覆层有效增强了层状氧化物正极的表面化学稳定性，梯度Ca²⁺掺杂内界面层促使颗粒内相变均匀，降低晶格失配，保证Na⁺空间分布均匀，并借助钉扎效应抑制微裂纹形成。优化的样品在高电压及-10至50°C的宽温度区间内，展现出良好的电化学性能与可靠的长循环稳定性。通过钠离子全电池和无负极电池验证了该复合正极的实际可行性，尤其是其与硬碳负极组装的软包全电池，在0.5 C充放电倍率下循环300圈后，容量保持率高达82.9%，充分彰显了此策略的实用潜力。值得一提的是，该界面重构策略具备良好的通用性与扩展性，有望广泛应用于其他层状氧化物正极材料的研发，为推动先进钠离子电池的层状氧化物正极材料的发展提供了有价值的新思路。

该成果以“High-energy and long-life O3-type layered cathode material for sodium-ion batteries” 为题发表在国际顶级学术期刊Nature Communications，韩国汉阳大学能源工程系的Yang-Kook Sun 教授为通讯作者，Xinghui Liang和Xiaosheng Song是共同第一作者。

【核心创新点】

本文采用固相法合成系列 O3 型层状氧化物正极，通过湿化学法在其表面构筑一层稳定的重构层，通过调控颗粒内部离子扩散动力学与电化学相变过程，显著提升材料的高压循环稳定性。

外延生长的表面修饰层提高离子扩散系数和界面稳定性：重构层在形成过程中原位消耗表面残钠，引入的快离子导体进一步提升复合正极离子扩散能力；重构层的引入能有效抑制不利寄生副反应，减薄表面岩盐相层厚度，同时增强复合正极的空气稳定性；

均匀颗粒内Na⁺离子浓度梯度：原始正极完全充电状态下颗粒内Na⁺浓度从表面到核心呈梯度增加，而NFMMT/NaCaPO₄中Na⁺浓度分布更均匀，显著降低了离子浓度梯度；

改善结构完整性：原始正极因钠离子非均匀脱嵌导致本体与表面脱钠不一致，两相空间对称性差异引发界面能升高，进而引发晶格失配、内应力积累及微裂纹；而NFMMT/NaCaPO₄通过减轻钠离子浓度梯度及非均相变引起的内应力积累与微裂纹形成，有效提升层状氧化物正极的稳定性；

梯度Ca²⁺界面掺杂的功能优势：相较于传统体相掺杂，界面梯度掺杂在不明显损失容量和离子扩散性能的前提下，显著提升正极结构完整性。DFT模拟证实Ca²⁺掺杂可有效抑制晶格失配导致的内应力，降低钠离子非均匀脱嵌引发的局部能量势垒，从而增强高压循环的结构稳定性。

【数据概览】

图1. 所制备的复合正极材料的示意图和结构表征

图2. 所制备的复合正极材料的表面特征

图3. NFMMT/NaCaPO₄在Na半电池中的电化学性能

图4. NFMMT/NaCaPO₄在钠离子全电池和无负极钠电池中的电化学性能

图5. NFMMT/NaCaPO₄的结构和动力学分析

图6. 晶体结构和表面化学成分的循环后分析

图7. 界面重建层机制的理论计算和模拟

图8. 界面重建策略的原理和可扩展性

【科学启迪】

本研究采用湿化学法将定制重建层精准修饰于O3型正极表面，有效解决了界面退化与机械失效难题。保护涂层通过构建快速离子扩散通道、消除表面残钠并抑制寄生副反应，同步提升了层状氧化物的倍率性能与热/空气稳定性。梯度Ca²⁺掺杂策略进一步诱导均匀相变并降低Na⁺浓度梯度，显著缓解内应力累积，强化结构完整性。优化后的正极展现出优异的电化学特性，且在4.5 V高压、50 ℃高温及-10 ℃低温极端条件下仍保持稳健循环性能。该界面重构策略具有普适性，可为层状氧化物材料体系提供通用优化方案，为开发高性能钠离子电池正极材料提供了重要理论支持。

原文详情：Xinghui Liang, Xiaosheng Song, H. Hohyun Sun, Hun Kim, Myoung-Chan Kim and Yang-Kook Sun, High-energy and long-life O3-type layered cathode material for sodium-ion batteries, Nat. Commun., 16, 3505 (2025).

DOI: 10.1038/s41467-025-58637-1

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58637-1