[導讀] 近日，中科院物理研究所（以下簡稱中科院物理所）科研團隊與荷蘭代爾夫特理工大學、法國波爾多大學等合作，提出了一種簡單的預測鈉離子層狀氧化物構(gòu)型的方法，并在實驗上證實了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設(shè)計制備提供了理論指導。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學》。
近年來，二次電池（又稱可充電電池或蓄電池）這一能實現(xiàn)電能與化學能轉(zhuǎn)化的新型儲能技術(shù)，在新一輪能源變革中受到廣泛關(guān)注。其中，鈉離子電池資源儲量豐富、成本低廉，然而其性能受到可用電極材料，尤其是以層狀氧化物材料為主的正極材料的限制。
鈉離子層狀氧化物具有O（Octahedral，八面體）和P（Prismatic，三棱柱）兩種構(gòu)型，其中最常見的兩種結(jié)構(gòu)分別為O3和P2（數(shù)字代表氧最少重復單元的堆垛層數(shù)）。
這兩種結(jié)構(gòu)的層狀氧化物作為鈉離子電池的正極材料各有優(yōu)勢，一般而言，O3相正極材料具有較高的容量，適用于低速電動車、大規(guī)模儲能領(lǐng)域；P2相正極材料具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，在充電樁、調(diào)頻、數(shù)據(jù)中心等快充場景應用更具優(yōu)勢。
研究團隊成員、中科院物理所研究員胡勇勝告訴《中國科學報》：“在實際工業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)中，如果能提前設(shè)計材料構(gòu)型，便能精準適配和打造最優(yōu)結(jié)構(gòu)的鈉離子電池化學體系，大大提高研發(fā)效率?！?/span>
2016年，中科院物理所博士戚興國創(chuàng)新性地引入等效半徑（即加權(quán)半徑，是將過渡金屬的半徑乘以該過渡金屬的含量）的概念來預測堆疊機構(gòu)，為該課題研究首開思路。
在后續(xù)研究中，胡勇勝團隊在總結(jié)不同系列層狀氧化物結(jié)構(gòu)參數(shù)的過程中發(fā)現(xiàn)：O3和P2兩種結(jié)構(gòu)材料的Na層間距（d(O-Na-O)）和M層間距（d(O-M-O)）的比值有一個臨界值1.62，比值高于1.62通常形成P2相，低于1.62易形成O3相。通過提高鈉含量可獲得O3相；反之，可獲得P2相。
基于此，胡勇勝團隊引入“陽離子勢”，來表示陽離子電子密度及其極化率程度，捕捉層狀材料的關(guān)鍵相互作用，使預測堆積結(jié)構(gòu)成為可能。通過合理設(shè)計和制備具有改良性能的層狀電極材料，證明了堆疊結(jié)構(gòu)決定材料的特性，為堿金屬層狀氧化物的設(shè)計提供了有效解決方案。