高性能层状氧化物正极材料：四位一体策略提升钠离子电池性能

高性能层状氧化物正极材料：四位一体策略提升钠离子电池性能

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【作者单位】

中国科学院物理研究所

抽象的

高性能层状氧化物正极材料具有理论容量大、制备便捷等优势，对钠离子电池的产业化具有重要意义。然而，该类材料相变复杂，容量保持性较差，传统的改性策略，如掺杂、包覆等通常影响有限。本文提出一种合理的“四位一体”策略，通过创新的成分设计和优雅的合成管理，提升Nax[Ni,Mn]O2材料的整体性能。

改进后，1C倍率下250次循环后半电池容量保持率由45%提升至77%，0.5C倍率下300次循环后全电池容量保持率仍达83%。能带结构优化、离子扩散优化、晶体结构优化、颗粒形貌优化“四位一体”策略为NIB正极材料的整体优化提供了新思路。

【实验方法】

正极材料的合成：

采用共沉淀法合成球形[Ni0.5Mn0.5](OH)2前驱体。将六水硫酸镍(99%,NiSO4·6H2O)和一水硫酸锰(99%,MnSO4·H2O)按化学计量比混合。以NaOH(10 mol·L-1)和NH4OH(1.5 mol·L-1)作为螯合剂(摩尔比为8.5∶1.5)溶解于2 mol·L-1浓度的金属盐溶液中。加入连续搅拌釜式反应器，维持pH在11.0左右，温度在50℃。在氮气保护下，连续反应得到[Ni0.5Mn0.5](OH)2前驱体。空气过滤、洗涤、干燥24 h，得到氢氧化物前驱体。将得到的球形前驱体与碳酸钠粉末（Na：[Ni+Mn]=1.05：1摩尔比）混合，在450℃下预压5h，然后在空气气氛中在850℃下煅烧24h，得到NaNi0.5Mn0.5O2。将前驱体和TiO2粉末（99.8%）在乙醇（99.9%）中混合，在80℃下搅拌直至蒸发，在450℃下预压5h，然后在空气中在900℃下煅烧15h，得到Na0.86Ni0.4Mn0.4Ti0.2O2材料，标记为NaNMT。

【图片摘录】

【主要结论】

本文采用四位一体改性策略，提升Nax[Ni,Mn]O2正极材料的综合性能。研究表明：

（1）优化后的Na0.86Ni0.4Mn0.4Ti0.2O2正极首次放电容量为139.9 mAh g−1，250次循环后1 C下容量保持率高达77%。300次循环后，HC负极的全电池能量密度有所提高，容量保持率为83%。

（2）部分Ti取代抑制了高压区不可逆相变，有效提高了循环稳定性，通过Mn3+/4+氧化还原提供的额外电荷补偿，NaNMT样品具有更高的初始充电容量，可以补偿负极侧SEI的不可逆容量损失，提高整电池的能量密度。

总体来看，该“四位一体”策略操作简单、可扩展性强，能够提升具有工业化潜力的正极材料性能，从而为钠离子电池性能的全方位提升提供新思路。