P2 vs. P3: 钠离子电池P型层状氧化物正极的动力学

Original 中国科学：化学中国科学化学 2022-10-22

北京化工大学徐赛龙教授和西安交通大学王鹏飞教授、肖冰教授通过对比异质结构的P2-和P3-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂层状氧化物正极的晶体结构、电化学性能以及离子/电子传输动力学，阐明了此类晶体结构与电化学行为之间的构效关系。

近年来，可充电钠离子电池由于低成本和充足的钠资源，被认为是最有前景的大规模储能替代品。在各种钠离子电池正极材料中，层状过渡金属氧化物由于制备简单、高容量和良好的倍率性能而受到广泛关注。由于钠离子与锂离子之间的半径差异，钠离子层状氧化物的种类与锂层状氧化物不同，其中P型层状结构是钠离子电池正极材料特有的结构。与O型层状结构相比，钠离子在P型结构中具有更广阔的扩散路径，从而展现出更优异的倍率性能。通过调控不同的煅烧温度可以获得不同类型的P型层状氧化物正极，其中P3型层状氧化物可以在较低的煅烧温度获得（700℃），而P2型层状氧化物通常需要更高的煅烧温度（>850℃）。虽然P2和P3型层状氧化物的合成条件和晶体结构差异已被广泛研究，但这种结构差异如何影响它们的电化学行为还没有被完全理解。因此，研究不同P型层状氧化物的晶体结构与电化学性能之间的构效关系，对高性能钠离子电池正极材料的合理设计和制备具有重要的指导意义。

最近，北京化工大学徐赛龙教授和西安交通大学王鹏飞教授、肖冰教授通过控制煅烧温度制备了具有异质结构的P2和P3-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂层状氧化物正极。研究表明，P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂相比P3-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂具有更优异的循环稳定性与倍率性能。密度泛函理论计算与动力学实验分析结果表明，P2型结构相比于P3型结构具有较高的本征离子电导、电子电导(3.4×10⁻⁵ S cm⁻¹)和较低的Na扩散势垒(130 meV)，是高倍率、长寿命钠离子电池理想的正极候选材料。同时，低的电子导电性是限制P3型材料性能发挥的关键因素，为提升P3型材料的钠储存性能指明了发展方向（见下图）。该工作强调了P型层状正极材料构效关系的重要性，为设计先进的钠离子电池正极材料提供了新的见解。

北京化工大学徐赛龙教授和西安交通大学王鹏飞教授和肖冰教授为本论文共同通讯作者。详见：Yu L, Dong H, Chang YX, Cheng Z, Xu K, Feng YH, Si D, Zhu X, Liu M, Xiao B, Wang PF, Xu S. Elucidation of the sodium kinetics in layered P type oxide cathodes. Sci China Chem, 2022, 65, https://doi.org/10.1007/s11426-022-1364-1.

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通讯作者简介

徐赛龙，教授，博士生导师，主要从事锂离子电池负极储能材料、钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和开发研究。以通讯作者/第一作者身份在Energy Storage Mater, Nano Energy, Nano Lett，Small, J Mater Chem A, Sci China Chem, ACS Appl Mater Interfaces, Carbon, Nanoscale等学术刊物上发表100余篇研究论文。