中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心赵成龙博士、陆雅翔副研究员、胡勇胜研究员团队与荷兰代尔夫特理工大学Prof. Marnix Wagemaker及法国波尔多大学Prof. Claude Delmas等提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法，并在实验上证实了该方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计制备提供了理论指导。相关成果以“钠离子电池层状氧化物材料的合理设计（Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries）”为题，于2020年11月6日在线发表在Science杂志上。
图1. 阳离子势及其在钠离子层状氧化物中的应用。典型P2型和O3型钠离子层状氧化物晶体结构示意图
图2. 阳离子势及其在钠离子层状氧化物中的应用。具有不同钠含量、不同过渡金属氧化态和组成的P2型和O3型钠离子层状氧化物在以阳离子势Φcation为横坐标，钠的加权平均离子势 为纵坐标的直角坐标系中的分布图。
图3. 根据阳离子势设计富钠O3材料。（A）Na-Li-Mn(Ti)-O的阳离子势分析；（B）初始组成Na[Li1/3Mn2/3]O2的XRD图谱和相关标准图谱；（C）O3-Na[Li1/3Ti1/6Mn1/2]O2的结构精修XRD图谱；（D）[Li1/3Ti1/6Mn1/2 ]O2层中Li/Mn(Ti)有序排布的结构示意图。
图4. 根据阳离子势设计高钠P2材料。（A）Na-Li-Mn(Ti)-O的阳离子势分析；（B）O3-Na[Li1/3Ti1/6Mn1/2]O2 和P2-Na5/6[Li5/18Mn13/18]O2的XRD图谱；（C）P2-Na5/6[Li5/18Mn13/18]O2的结构精修XRD图谱；（D）[Li5/18Mn13/18]O2层中Li/Mn有序排布的结构示意图。
图5. 总结已报道的Li-/Na-/K碱金属层状氧化物的阳离子势相图。
本工作不仅为层状氧化物结构的设计提供了新的方法，而且用实验确认了该简单方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计制备打下了坚实的科学基础。该工作得到了国家杰出青年科学基金（51725206）、国家重点研发计划项目 (2016YFB0901500）、中国科学院A类战略性先导科技专项（XDA21070500）、北京市科委项目（Z181100004718008）、北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金项目（L182056）、中国科学院青年创新促进会（2020006）等项目的支持。
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708
来源：中国科学院物理研究所