近日，我院孙世刚院士团队黄令教授、邓亚平副教授在P2型钠离子电池层状正极材料研究方面取得新进展。团队揭示了锂掺杂调控氧氧化还原、稳定高电压循环的作用机制，提出通过锂掺杂抑制高电压下晶格氧参与电解液分解与不可逆氧损失的策略，并在P2型Na0.67Li0.2Ni0.23Mn0.67O2正极中验证了其提升循环稳定性和倍率性能的效果。相关成果以“Stabilizing Oxygen Redox via Li dopants into P2-type Cathodes for High-Voltage Sodium-Ion Batteries”为题发表于Advanced Science （DOI: 10.1002/advs.78593）。
P2型层状氧化物正极因比容量较高、工作电压较高、环境友好且与现有锂离子电池工艺兼容而备受关注。然而，当充电电压超过4.2 V时，该类材料中的晶格氧氧化还原反应会被激活，在提供额外容量的同时，也常伴随结构畸变、气体释放和容量快速衰减，成为制约高电压钠离子电池应用的关键瓶颈。因此，厘清杂原子掺杂对晶格氧行为的调控作用，对开发高能量密度、长寿命的钠离子电池正极具有重要意义。
研究团队以P2-Na0.67Ni0.33Mn0.67O2（NaNM）为对照，设计合成了锂掺杂的Na0.67Li0.2Ni0.23Mn0.67O2（NaLNM）正极，并结合中子粉末衍射、固体核磁共振、原位X射线衍射、原位拉曼光谱、X射线吸收谱以及¹⁸O同位素标记在线电化学质谱等方法，系统研究了锂掺杂对材料结构演化和氧氧化还原行为的影响。研究发现，锂引入后形成Li-O-□和Li-O-Na局域配位环境（□表示Na层中的空位），部分破坏了Na层大锯齿（LZZ）有序和过渡金属蜂窝有序，抑制了Na⁺/空位重排，并有效抑制了高电压下的P2-O2相变。同时，锂掺杂提升了Ni的氧化还原活性，使更多容量在4.2 V以下通过过渡金属氧化还原释放，从而减弱了高电压下晶格氧的过度参与。同位素标记在线电化学质谱结果表明，NaLNM中与晶格氧相关的CO2释放被显著抑制，其中C16/16O2、C16/18O2和C18/18O2的总释放量分别降低约73.26%、85.25%和71.80%，说明锂掺杂有效抑制了晶格氧参与电解液副反应及不可逆氧损失。该研究为设计高电压、长循环钠离子电池层状正极提供了思路。
元素掺杂作用机制
该研究工作在孙世刚院士、黄令教授、邓亚平副教授的共同指导下完成，论文第一作者为戴棚、文艳芬、师晨光。该研究得到了国家自然科学基金（22672183、22288102、和22472062）、中国科学院储能专项（LDES15 0000）等项目资助，并获得北京同步辐射装置、高能同步辐射光源、XMU-HEPS联合体的实验机时支持。
论文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42977554/
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