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湖南大学朱智强教授：自组装单层增强钠离子电池O3型层状氧化物正极的空气稳定性和电化学可逆性

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-26 08:00

正文

▲第一作者：何艳

共同通讯作者：朱智强、颜子超

通讯单位：湖南大学

论文DOI：10.1039/D5TA00173K （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

本研究通过自组装双十六烷基磷酸酯（DHP）在NFM表面构建超薄、均匀且疏水的包覆层，有效提高了NFM材料的空气稳定性和电化学可逆性。

背景介绍

钠离子电池（ SIBs ）因其资源丰富性和经济可行性，在大规模储能和低速电动车领域展现出广阔前景。目前，针对钠离子电池已开发出层状金属氧化物、普鲁士蓝类似物（ PBAs ）和聚阴离子化合物等多种正极材料。其中， O3 型层状过渡金属氧化物 NaNi _0.33 Fe _0.33 Mn _0.33 O ₂ （ NFM ）凭借其高理论容量、环境友好性和易于合成等优势备受关注。然而，该材料在实际应用中仍面临多重挑战：材料在合成及加工过程中不可避免地暴露于潮湿空气，会引发 Na ⁺ 通过材料表面的 Na ⁺ /H ⁺ 交换发生自发扩散，这不仅导致活性钠的损失，还会因生成离子绝缘的残碱（如 NaOH 、 Na ₂ CO ₃ 和 NaHCO ₃ ）而阻碍离子传输；此外，循环过程中过渡金属离子的溶解会加速材料结构畸变，进而影响电池稳定性。因此，对 NFM 材料表面进行优化以提升其加工性能和电化学稳定性具有迫切需求。

本文亮点

通过自组装双十六烷基磷酸酯（ DHP ）在 NFM 表面构建超薄、均匀且疏水的包覆层。 DHP 的磷酸基团可与 NFM 表面羟基形成强化学键，确保包覆层的紧密结合；其双链烷烃疏水尾基通过紧密排列，有效抑制电极的空气劣化与金属离子溶出。提高了 NFM 材料的空气稳定性和电化学可逆性。

图文解析

（ 1 ） NFM@DHP 材料的合成示意图：通过液相法， DHP 的磷酸基团可与 NFM 表面羟基形成强化学键，确保包覆层的紧密结合。

（ 2 ）包覆层 DHP 的表征：通过 DHP 分子自组装， NFM@DHP 表面形成了厚度约 6 nm 的连续致密包覆层，且该涂层不影响材料的晶体结构及形貌。

（ 3 ）空气稳定性的表征：通过一系列物理化学表征验证了 DHP 涂层对 NFM 空气稳定性的提升，验证了 DHP 包覆层的疏水作用。

（ 4 ）电化学性能：电化学测试进一步表明， DHP 包覆层显著提高了 NFM 材料的空气稳定性，同时还提高了材料的循环可逆性。

（ 5 ）电化学可逆性提升的机理探究：通过非原位 XRD 、 ICP 和 SEM 等测试手段验证了 NFM 材料的性能衰减机理，以及 DHP 包覆层对提升 NFM 电化学可逆性的具体作用。

总结与展望

在这项研究中，通过分子自组装方法成功将 DHP 层（ ∼ 6 nm ）包覆到 NFM 表面。薄、均匀、疏水的 DHP 层可以减轻 NFM 与环境空气之间的界面副反应，从而抑制残留碱物质的形成并提高 NFM 的空气稳定性和可加工性。此外，致密的 DHP 层可以避免溶剂分子的进入以抑制过渡金属的溶解，从而保持结构完整性并增强 NFM 的电化学稳定性。这种简单而有效的策略为推进钠离子电池的实际实施提供了一条有前途的途径。

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