近日，我校材料科学与工程学院叶淑芬副教授以第一作者身份，在国际材料学顶级期刊《Advanced Materials》上发表高水平研究型论文。论文题目为“Phase-transition engineering enables low-strain cathodes for 192 Wh kg−1 sodium-ion batteries”，第一署名单位为合肥理工学院。该研究由我校校长吴玉程教授团队、材料科学与工程学院余彦教授、江玉教授团队合作，并联合国内外多家顶尖科研单位共同攻关完成。团队创新性地提出了理论描述符“相变离子势（Φphase）”，用以预测和调控钠离子电池层状氧化物正极材料的物相演化，并基于此构筑出兼具高能量密度（192 Wh kg−1）与长循环寿命的钠离子电池。
O3型层状氧化物正极材料具备结构可调与放电比容量高的特点，是当前学术界和产业界共同关注的研究热点。然而，该体系在充放电过程中反复发生O3–P3相分离转变，极易导致严重的晶格畸变与微应变累积，最终诱发结构坍塌与容量衰减。为了抑制这一有害相变，现有策略多通过元素掺杂来加快O3–P3相变过程，但领域内仍缺乏一种通用的理性策略或定量描述符，来精确指导实验中的元素掺杂。
针对这一瓶颈，研究团队将Φphase作为预测性描述符，用于识别和引导层状金属氧化物正极中的相变行为。通过全面的实验与理论研究表明，晶格失配引发的微应变累积是过渡金属迁移的主要诱因。降低Φphase值可促进O3–P3连续相变，形成O3/P3共生结构。该共生结构可以缓解晶格失配，实现更顺畅的Na+传输，同时减缓结构滑移，从而同步抑制晶格应变和过渡金属迁移。基于此理论，团队通过在NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2中引入Ca元素进行掺杂修饰（简写为NCNFMO），显著增强了Na层间锚定能力（图1）。这种策略促进了O3/P3共生结构的形成，减缓了由微应变引起的性能退化。实验结果表明，改进后的NCNFMO正极放比容量为140 mAh g−1，500次循环后容量保持率为84.2%。更具应用价值的是，团队将NCNFMO正极材料与高性能负极匹配，构筑出6.1 Ah软包电池。该软包电池的能量密度高达192 Wh kg−1（基于软包电池总质量计算），循环100次后容量保持率为82.5%，展现出良好的产业化应用潜力（图 2）。
论文链接：http://doi.org/10.1002/adma.74333
图 1（a）𝛷phase和相图展示了各类相转变所对应的典型区域。（b）从两相转变结构向连续相转变结构演化的示意图。（c）碱金属层中不同氧化态掺杂元素离子势。（d）不同掺杂元素在Na位点的掺杂形成能计算结果对比。
图 2（a）NCNFMO正极的充放电曲线。（b）NCNFMO正极在1 C电流密度下的长循环性能。（c）NCNFMO正极与文献报道O3型层状氧化物正极的循环稳定性对比。（d）NCNFMO和NNFMO正极的倍率性能对比。（e）NCNFMO||硬碳软包全电池的长期循环性能。（f）6.1 Ah NCNFMO||Al@C软包电池的充放电曲线。（g）NCNFMO||Al@C软包电池在48 mA g−1电流下的循环性能。（h）本工作中NCNFMO||Al@C软包电池能量密度与此前报道的全电池能量密度对比。