近日，據(jù)外媒報(bào)道，東京理科大學(xué) (TUS) 的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的材料設(shè)計(jì)策略，可以為穩(wěn)定、高性能的鈉離子電池鋪平道路。

堆垛層錯(cuò)是晶體材料（包括電池中使用的晶體材料）中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷。堆垛層錯(cuò)是指原子層規(guī)則堆垛順序被打亂的缺陷，它會(huì)通過影響離子擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，顯著影響電池性能。

層狀鈉錳氧化物（NaMnO2），尤其是其β相，因其作為鈉離子電池正極的應(yīng)用而備受關(guān)注。然而，β-NaMnO2 存在堆垛層錯(cuò)（SFs），這嚴(yán)重降低了其循環(huán)穩(wěn)定性。這一策略有望開發(fā)出續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)的鈉離子電池，從而帶來更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的儲(chǔ)能解決方案。

鈉離子電池近年來已成為鋰離子電池經(jīng)濟(jì)高效且可持續(xù)的替代品。鈉是地球上第六豐富的元素，與鋰離子電池相比，其材料成本更低，供應(yīng)量更大。正極材料的設(shè)計(jì)對(duì)電池壽命和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。層狀鈉錳氧化物 (NaMnO2) 因其在鈉離子電池中用作正極材料而受到研究人員越來越多的關(guān)注。

NaMnO2 有兩種晶體形態(tài)：α-NaMnO2 和 β-NaMnO2。由含氟化硅 (SF) 的 β-NaMnO2 制成的電極在充放電循環(huán)過程中容量會(huì)嚴(yán)重衰減，限制了其實(shí)際應(yīng)用。此外，SF 的存在也使人們對(duì)該材料固態(tài)化學(xué)性質(zhì)的理解變得復(fù)雜。

在一項(xiàng)新的研究中，由日本東京理科大學(xué) (TUS) 應(yīng)用化學(xué)系教授 Shinichi Komaba 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組調(diào)查了銅 (Cu) 摻雜如何穩(wěn)定 β-NaMnO2 中的 SF。

“在之前的研究中，我們發(fā)現(xiàn)在金屬摻雜劑中，Cu是唯一能夠成功穩(wěn)定β-NaMnO2的摻雜劑，”Komaba教授說道。“在這項(xiàng)研究中，我們系統(tǒng)地探索了Cu摻雜如何抑制SF并改善鈉離子電池中β-NaMnO2電極的電化學(xué)性能。”

該團(tuán)隊(duì)還包括來自東京國(guó)立大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究所的佐藤修平先生、米拉佑介先生和熊倉(cāng)真一博士。他們的研究成果于2025年7月15日在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

研究團(tuán)隊(duì)合成了一系列高度結(jié)晶的Cu摻雜β-NaMnO2樣品（NaMn1-xCuxO2），Cu摻雜量各不相同，對(duì)應(yīng)的Cu摻雜水平從0%到15%。NMCO-00樣品作為未摻雜的參考樣品。通過X射線衍射（XRD）研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在Cu摻雜樣品中，NMCO-05的SF濃度最高，為4.4%，而在NMCO-12中，SF濃度僅為0.3%，這表明隨著Cu摻雜量的增加，SF明顯受到抑制。

“我們的研究結(jié)果證實(shí)，錳基氧化物是開發(fā)高耐用性鈉離子電池的一種有前景且可持續(xù)的解決方案，”駒場(chǎng)教授補(bǔ)充道。“由于錳和鈉的成本相對(duì)較低，這項(xiàng)研究將為包括智能手機(jī)和電動(dòng)汽車在內(nèi)的各種應(yīng)用帶來更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的儲(chǔ)能解決方案，最終帶來更可持續(xù)的未來。”

這項(xiàng)研究還表明，通過摻雜銅來穩(wěn)定SF，可以解決鋰等金屬通常面臨的供應(yīng)鏈脆弱性問題。此外，這項(xiàng)研究對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

該研究為開發(fā)更穩(wěn)定、更持久的鈉離子電池提供了寶貴的見解，從而促進(jìn)可再生能源的更廣泛應(yīng)用，符合聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) 7：負(fù)擔(dān)得起的清潔能源。