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2024年8月15日，中科海鈉科研領(lǐng)軍者胡勇勝研究員團(tuán)隊(duì)在全球頂尖科學(xué)期刊《Science》上發(fā)布其最新研究成果《Decoupling the Air Sensitivity of Na-Layered Oxides》，這一突破性發(fā)現(xiàn)為鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程提供了重要的解決方案，再次彰顯了我國在鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

層狀氧化物是鋰離子電池和鈉離子電池的重要正極材料，與鋰層狀氧化物不同，鈉層狀氧化物（NaxTMO2，TM代表過渡金屬）對空氣更敏感，在濕空氣中幾小時內(nèi)便可發(fā)生劣化，導(dǎo)致鈉含量下降，從而造成電池容量的不可逆損失。這一問題已困擾研究者四十余年，成為其商業(yè)化進(jìn)程中亟待克服的重要障礙。

深刻理解這一問題的根本原因，并提出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)原則來解決它，是推動鈉離子電池走向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步。中國科學(xué)院物理研究所研究員、中科海鈉董事長/首席科學(xué)家胡勇勝，中國科學(xué)院物理研究所副研究員陸雅翔，長三角物理研究中心特聘研究員容曉暉，與燕山大學(xué)教授黃建宇等合作，詳細(xì)研究了不同氣體與鈉離子層狀氧化物正極材料的相互作用機(jī)理，并闡明了材料的劣化路徑。該研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化測試方法，實(shí)現(xiàn)了對不同材料空氣穩(wěn)定性的定量比較，明確了影響材料空氣穩(wěn)定性的本征因素，并提出了合理的材料改性設(shè)計(jì)原則。該工作以廣泛研究的NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂（NFM111）作為模型材料，并擴(kuò)展至其同系物，結(jié)合使用多種先進(jìn)的原位、非原位表征技術(shù)，發(fā)現(xiàn)水蒸氣、二氧化碳或者氧氣單獨(dú)存在時并不會引發(fā)材料顯著的劣化反應(yīng)。水蒸氣在劣化過程中起到關(guān)鍵性的橋梁作用，通過與二氧化碳或氧氣共存，分別引發(fā)材料的酸性降解和氧化降解過程。其中，酸性降解將引發(fā)劇烈的Na⁺/H⁺交換，在材料表面形成碳酸鈉或碳酸氫鈉，同時還將引發(fā)裂紋拓展生長、晶格扭曲、位錯產(chǎn)生和強(qiáng)酸性條件下的表面過渡金屬離子還原和重構(gòu)等后續(xù)反應(yīng)。氧化降解中，體相中氧化物氧化還原電位較低的過渡金屬離子將優(yōu)先被氧化，同時釋放出鈉離子形成氫氧化鈉，被氧化的過渡金屬離子（Ni³⁺）在表面通常不穩(wěn)定，容易被還原從而引發(fā)表面重構(gòu)。

根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，該工作指出打破氣體間的耦合作用是實(shí)現(xiàn)材料穩(wěn)定存儲的關(guān)鍵外在因素。為了量化層狀氧化物正極材料的空氣劣化程度，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于滴定氣相色譜技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化空氣穩(wěn)定性測試方法，用以定量評價不同反應(yīng)路徑的貢獻(xiàn)和比較不同材料的空氣穩(wěn)定性。根據(jù)30余種材料劣化后鈉損失量的定量分析，在這項(xiàng)研究中定義了一個新的參數(shù)——陽離子競爭系數(shù)η——包含了過渡金屬的加權(quán)平均離子勢、初始鈉含量和鈉的離子勢，以反應(yīng)脫鈉的難易程度。研究發(fā)現(xiàn)，酸性降解是主導(dǎo)整體劣化過程的關(guān)鍵因素；降低陽離子競爭系數(shù)和增加顆粒尺寸可以有效地提升材料抵抗酸性劣化的能力；選擇高電位的氧化還原對可以有效地增強(qiáng)材料的抗氧化劣化的能力?；趯μ嵘龑訝钛趸锟諝夥€(wěn)定性的深入認(rèn)識，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的改性材料可將鈉損失量由模型材料的0.489降低至0.019（減少了96%）。

該工作揭示了材料界面和體相的劣化演變過程，明確了影響材料空氣穩(wěn)定性的本征因素，并提出了相應(yīng)改善策略，為設(shè)計(jì)更穩(wěn)定、更耐用的層狀氧化物正極材料提供了技術(shù)方法和指導(dǎo)原則。

繼2020年在《Science》上首開鈉離子電池領(lǐng)域研究先河，贏得國際科學(xué)界高度贊譽(yù)后，胡勇勝研究員團(tuán)隊(duì)四年磨一劍，再次發(fā)布最新科研碩果，不僅穩(wěn)固了中國在全球鈉離子電池技術(shù)前沿的領(lǐng)航地位，更為全球鈉離子電池商業(yè)化進(jìn)程鋪設(shè)了堅(jiān)實(shí)的理論基石與實(shí)踐路徑。展望未來，中科海鈉將繼續(xù)深耕鈉離子電池技術(shù)，加速商業(yè)化步伐，為我國新能源產(chǎn)業(yè)注入強(qiáng)勁動力，共繪綠色、可持續(xù)發(fā)展新篇章！