钠离子电池中正极材料的性能直接影响了电池的循环寿命。传统三元钠离子层状氧化物正极材料中可变价元素通常趋向于均匀分布以减小体系的能量，一旦发生氧化态的改变，局部结构就会发生变化而导致相变发生。在过往的研究中，高熵层状氧化物正极材料展现出了诸多优势，但仍然存在一些尚未解决的关键问题，其中最为突出的是，在过渡金属层(TMO2层)中含有的不同过渡金属离子由于不同的离子质量、半径尺寸和价电子构型可能会导致材料内部产生严重的晶格应变。这种晶格应变不仅会影响材料的结构完整性，还可能导致电化学性能的退化。因此，在设计高熵材料时，合理的元素选择变得至关重要。需要开发出既能有效抑制晶格应变，又能最大化利用高熵效应以稳定材料结构的设计策略。本工作中，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究团队与合作者设计了两种O3型高熵氧化物：在TMO2层中仅含3d过渡金属的氧化物NaNi0.3Cu0.1Fe0.2Mn0.3Ti0.1O2（NCFMT）和以Sn取代Ti的非全3d过渡金属的氧化物NaNi0.3Cu0.1Fe0.2Mn0.3Sn0.2O2（NCFMS），并系统研究了两种材料的结构特征和电化学性能。
图 NCFMT和NCFMS样品的原子结构差异。a, XRD图谱。b，Williamson-Hall分析计算晶格应变ε。c, O3相的结构模型，以及垂直于和平行于TMO2层的应变分布和离子位移之间的关系示意图。d, NCFMS和NCFMT沿[110]方向的HAADF-STEM图像和原子级EDS面扫图。研究发现，这两种材料在原始状态下都表现出均匀的元素分布，但NCFMS由于所含过渡金属离子大小、质量和价电子构型不匹配导致晶格畸变，在TMO2层内展现出明显的晶格应变。像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和原子级能量色散X射线能谱（EDS）对循环后的样品进行分析发现：在循环过程中，TMO2层中的本征应变和累积晶格应变会促进金属离子的迁移，进一步导致NCFMS正极颗粒内部和表面的元素偏析和裂纹形成。相比之下，NCFMT全3d过渡金属组成具有更好的结构-电化学兼容性，循环过程中的结构稳定性显著提高，有效减少了电极材料的晶格应力积聚、离子迁移和机械化学疲劳损伤，因此具有优异的半电池和全电池循环稳定性。本研究为高熵氧化物正极材料的元素组成设计指明了方向，并为开发适用于钠离子电池的长寿命层状氧化物正极材料提供了潜在解决方案。
本工作受到国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项和江苏省碳达峰碳中和创新计划的资助。中国科学院物理研究所博士后丁飞翔为本文第一作者，中国科学院物理研究所陆雅翔、苏东、胡勇胜研究员和北京科技大学毛慧灿博士为文章通讯作者。该成果以“调制晶面应变实现钠离子高熵层状氧化物正极材料结构稳定性”（Tailoring planar strain for robust structural stability in high-entropy layered sodium oxide cathode materials）为题发表于《自然·能源》（Nature Energy）杂志上。
