圖1 電化學嵌/脫鈉過程中P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2材料的結構變化：同步輻射原位XRD圖譜 

　　圖2 P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2材料放電到0.4 V非原位XRD圖譜精修（a）和化學鈉化XRD圖譜精修（b） 

　　圖3. 化學鈉化過程中P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2材料的結構變化：同步輻射原位XRD圖譜

　　室溫鈉離子電池與鋰離子電池具有相似的儲能機制，但鈉的資源豐富，原料成本低廉，在可再生能源的大規(guī)模儲能和智能電網建設方面室溫鈉離子電池表現出了極大潛力。

　　目前，已經研究的鈉離子電池的負極材料主要有碳類材料、過渡金屬氧化物、合金類材料以及磷酸鹽。無定形硬碳是目前報道的綜合性能最好的材料，但是其儲鈉電位接近0V，容易造成金屬鈉沉積，帶來安全隱患。而在氧化物材料中Na2Ti3O7雖然容量比較高但是其儲鈉電位比較低，首周效率低，且循環(huán)不穩(wěn)定；Li4Ti5O12作為鈉離子電池負極材料，材料中仍然含有大量的鋰。 

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的清潔能源實驗室李泓課題組等在對尖晶石結構的Li4Ti5O12嵌鈉機理的認識基礎上，設計了一種新型鈉離子電池具有層狀結構的零應變負極材料P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2，通過第一性原理計算預測該材料能夠穩(wěn)定存在并且發(fā)現鈉在嵌入脫出過程中體積形變只有0.21%，而且鋰的引入有助于鈉離子的傳輸，進一步降低了鈉離子擴散活化能。 

　　課題組合成了該材料并測試了電化學性能。結構分析表明，該材料為P2層狀氧化物，空間群為P63/mmc，Li\Ti占過渡金屬位，鈉占堿金屬層間的兩個位置，與上下氧形成三棱柱結構；材料的顆粒尺寸在10-15微米之間。

　　該材料在C/10倍率下顯示116 mAh/g左右的可逆容量，對應0.34個Na的嵌入和脫出，200周循環(huán)后容量保持率為88%；平均儲鈉電壓為0.75V，遠高于金屬鈉的沉積電位；充放電曲線為斜坡狀，可能為單相反應，與常見層狀P2相氧化物多相反應機制不同；同時在2C的倍率下循環(huán)1200周后容量保持率為75%，顯示極其穩(wěn)定的循環(huán)性能；當該負極材料與磷酸釩鈉/碳復合正極組裝成全電池時，其平均工作電壓為2.5V，顯示較好的循環(huán)和倍率性能。該材料室溫下Na+離子表觀擴散系數約為1×10-10 cm2/s，與計算結果符合比較好，并和Li+離子嵌入石墨的擴散系數相當。 

　　研究人員利用上海光源BL14B線站原位XRD技術對嵌/脫過程中材料結構的演化進行了深入研究。與傳統P2層狀材料在嵌/脫鈉反應過程中出現多個相變的反應機理不同，鋰摻雜過渡金屬層的P2層狀材料在嵌/脫鈉過程中表現出近似單相行為（圖1為充放電過程中的原位XRD圖譜）。

　　對材料放電態(tài)（完全嵌鈉狀態(tài)）的結構進行精確確定，進一步證明材料仍然保持P2層狀結構，嵌鈉前后體積變化僅為0.77%，近似零應變，這也說明了該材料為什么顯示了極其穩(wěn)定的循環(huán)性能。為了避免電化學非原位測試制備過程中樣品可能暴露空氣從而導致Ti3+氧化，同時也采用化學鈉化原位XRD技術，結果同樣表明鈉在嵌入過程中材料保持P2層狀結構，這為鈉的嵌入\脫出材料結構的變化提供了有力的證據，具體結果如圖2和3所示。相關研究結果發(fā)表在近期Nature Communications（ 4, 2365, doi: 10.1038/ncomms3365 (2013)）上。