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近日，學院王景陽助理教授、朱嘉教授與現代工程與應用科學學院郭少華教授團隊合作在Advanced Materials期刊發表了題為“Universal design strategy for air-stable layered Na-ion cathodes toward sustainable energy storage”的研究成果，通過第一性原理計算深入研究了O3型鈉離子電池正極的空氣失效的反應機理，提出了基于鍵離解能的材料空氣穩定性預測模型，建立了提高鈉離子電池層狀氧化物正極空氣穩定性的普适性材料設計策略，為降低鈉離子電池材料及電芯在大規模生産制造中的能耗與碳排放提供了有效解決方案。

研究背景

鈉離子電池憑借其資源豐富且分布廣泛等優勢，有望在大規模儲能等應用領域成為資源緊張的锂離子電池的低成本可持續替代技術。然而，到目前商業化程度最高的鈉離子電池正極材料，即O3型層狀氧化物，存在較嚴重的空氣不穩定問題，在大規模生産中需要長期使用幹燥房進行環境控制，不僅顯著增加了鈉離子電池的生産制造成本，也使得其能源消耗和溫室氣體排放大幅飙升，違背了鈉離子電池可持續儲能的目标。雖然此前有部分研究工作針對特定材料組分提出了一些針對空氣穩定性的改善策略，但對空氣穩定性與材料化學組分之間的相關性仍欠缺本質理解，因此尚未建立具有普适性的材料設計策略。

文章要點

作者首先通過第一性原理計算，深入研究了O3型鈉離子電池正極的空氣失效的反應機理，提出由水分子、氧氣、二氧化碳參與的協同反應在熱力學上具有最低的反應能，并且該反應能與材料的化學組分密切相關。針對這種相關性，作者進一步提出了d²_OH/V和bond dissociation energy（BDE）兩種對材料空氣穩定有預測能力的特征描述符，其線性相關系數分别達到了0.97和–0.90，實現了對材料空氣穩定性的快速預測。同時，作者通過對材料電子結構變化進行深入研究，揭示了不同化學組分對材料空氣穩定性影響的本質原因。

圖1. 層狀氧化物正極材料空氣穩定性的預測模型及其材料電子結構機理

基于理論預測模型，作者在多種O3型層狀材料體系中進行了材料設計合成與結構、電化學驗證，證實了理論模型的準确性與普适性。同時作者對具有商業化應用前景的Ni、Fe、Mn三元正極材料進行了針對空氣穩定性的組分優化，實現了在空氣中暴露3天和在密閉空氣環境中存儲30天電化學容量不衰減的優異性能。

圖2. 不同體系中的模型實驗驗證及空氣穩定的鈉離子電池正極材料設計

最後，作者基于真實生産數據，針對2 GWh規模的鈉離子電池生産線進行了能耗與碳排放計算，結果顯示如應用優化後的正極材料，每年可減少4088627 kWh的能源消耗，對應了近2200噸的二氧化碳減排。當前鈉離子電池正處于推進其大規模生産的關鍵時期，本工作為通過工藝簡單的組分設計調整材料空氣穩定性提供了有效的理論指導和實驗基礎，大大降低了鈉離子電池的生産制造成本和二氧化碳排放，從而有助于實現清潔能源儲能的可持續發展與碳中和目标。

圖3. 層狀正極空氣穩定性機制及大規模生産的能耗與碳足迹

論文信息

H. Li, J. Wang, S. Xu, A. Chen, H. Lu, Y. Jin, S. Guo, J. Zhu, Universal Design Strategy for Air-Stable Layered Na-ion Cathodes towards Sustainable Energy Storage. Adv. Mater. 2024, 2403073.

DOI: 10.1002/adma.202403073

https://doi.org/10.1002/adma.202403073