“雙碳”是我國在新發展階段的重大戰略目標。綠色儲能作為新能源技術革命的核心環節💝，受到社會廣泛關註🚎。其中，鋰離子電池由於其高能量密度和長壽命等特點已經被大量應用於便攜式電子設備和電動汽車，是目前最具商業潛力的可充電電池。然而，鋰礦資源具有稀缺性且長期受地緣政治影響🧘🏻‍♂️，造成其市場波動較大，這不利於推動能源設備的改革。因此👊，人們開始考慮將鈉離子電池作為鋰離子電池在大規模儲能領域的重要補充。鈉離子層狀氧化物（包括O3型和P2型）是目前最受矚目的鈉電正極材料。從產業化的角度來看，由於鋰離子層狀氧化物的生產製造技術已經相對成熟，因此具有類似結構的鈉離子層狀氧化物能夠適配現有的產業鏈。然而👰🏻‍♂️，高空氣敏感性問題限製了鈉離子層狀氧化物正極材料將成本優勢發揮到極致。當與空氣接觸時⛹🏼‍♂️，鈉離子層狀氧化物表面會迅速反應形成雜質，導致部分鈉失去電化學活性。更糟糕的是🦑，這些雜質在電池工作過程中可能會分解產氣從而引發安全危機👩‍🏭。為了克服這個難題，一些可行的實驗技術例如：改變組分🤹‍♀️👩‍🔧、摻雜和表面修飾已經被廣泛研究和報道👨🏿‍✈️，但似乎並沒有在大規模生產中得到推廣。這暗示從微觀尺度上觀察雜質形成過程和正確理解雜質形成機理是非常迫切和必要的🐻‍❄️。目前👑，產業界正在積極探索層狀鈉電正極材料空氣敏感性問題的解決方案⚫️。

鈉電層狀正極材料表面雜質形成機理示意圖

近日，意昂3体育官网深圳研究生院新材料學院鄭家新/許賢祺課題組聯合寧德時代21C實驗室歐陽楚英教授，在國際頂級期刊Journal of the American Chemical Society上發表題為“Origins of high air sensitivity and treatment strategies in O3-type NaMn_1/3Fe_1/3Ni_1/3O₂”的文章。該工作利用密度泛函理論計算和ab-initio 分子動力學模擬（AIMD）系統地研究了空氣分子與NaMn_1/3Fe_1/3Ni_1/3O₂（NMFNO）層狀正極材料表面的化學反應過程，並解釋了為什麽鈉離子層狀氧化物的空氣穩定性普遍比鋰離子層狀氧化物差。該工作揭示NMFNO空氣穩定性差的原因是🏝：1. 非活性（003）表面的占比低🏊🏽‍♂️；2. 強表面吸附性和高表面反應活性🚣‍♂️；3. 表面鈉離子的不穩定性。其中，高表面反應性源自於表面氧活性位點的電子損失和未配對電子增加👩‍👩‍👦🤰🏽，以及強金屬共活化作用🍂。雖然表面氧活性位點和金屬活化對雜質的形成都是必不可少的🌟，但作者發現水解反應和碳酸鹽的形成對反應環境的要求並不完全相同🧗🏿。水解反應需要表面氧活性位點具有較高反應活性，這啟發作者采用具有空e_g軌道的高價過渡金屬（如Ti⁴⁺和Co⁴⁺）或者陰離子取代以降低其反應活性。在碳酸鹽形成過程中，碳雜化模式的轉變主要依賴於金屬活化作用💃🏽，甚至不需要表面氧活性位點的參與🧵，這啟發作者構建缺鈉的表面構型以削弱金屬活化作用。此外，晶粒形貌調控以減少反應活性表面也是抑製空氣敏感性的一種可行策略🧏🏼‍♀️。作者強調🙆🏼，這些策略可以組合使用以提高治療效果。

本文第一作者為許賢祺、陳雋彥和蔣耀。通訊作者為李新祿👨🏿‍🔧👨🏿‍🔬、歐陽楚英、鄭家新🧒🏽。上述研究得到國家自然科學基金委員會、深圳市科技創新委員會的支持🕴🏼。