近日，新材料学院肖荫果课题组在国际综合期刊《Advanced Science》上发表题为“Layered Cathode with Ultralow Strain Empowers Rapid-charging and Slow-Discharging Capability in Sodium Ion Battery”的文章，不同于常规倍率测试中的快充快放模式，该文章聚焦于更适配实际应用的快充慢放这一不对称电化学测试模式，这不仅要求极高的倍率性能以满足不对称倍率下的对称钠离子嵌脱量，并且要求正极材料具有极低的结构应变以适配高速嵌脱钠过程中的结构稳定性。该研究通过将钾离子铆钉在钠层，优化了过渡金属层的有序分布和钠离子的扩散路径，降低了钠离子扩散能垒并赋予了该正极显著的倍率性能。改性正极在快充慢放测试中不仅可以输出对称容量，还展现出极低的体积应变。该研究对快充慢放钠离子电池正极的研究具有重要意义。
图1. 具备快充慢放能力的层状正极的设计策略、倍率性能及快充慢放过程中的结构演化机制
电动出行方式的发展推动了对具备快速充电和缓慢放电能力的二次电池的需求，其中，以层状氧化物为正极的钠离子电池由于其综合电化学性能展示出竞争优势。然而，为了满足该需求，需要进一步提升正极材料的倍率性能以实现不同倍率下的对称容量。同时，在非对称电化学过程中减小晶格应变对缓解应变积累也具有重要意义。本研究通过将钾离子铆钉在钠层，优化了过渡金属层的有序分布和钠离子的扩散路径，进而促进了其动力学过程。在20C倍率下，电池的容量可以达到0.1C倍率的94%。此外，钠层的铆钉效应使得改性后的正极在10C充电和1C放电过程中全局体积应变仅为0.03%。总之，本文通过钠层的铆钉策略极大降低了正极的结构应变并优化了钠离子的扩散路径，展示了其具有快速充电和缓慢放电能力的良好前景，推动了钠离子电池商业化应用的进程。
北京大学新材料学院肖荫果长聘副教授及德国于利希研究中心的杨婷婷博士为该论文通讯作者，我院博士生杨茂林及陈子威为论文的第一作者。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东东莞松山湖大科学设施开放课题以及深圳市发改委支持的物质基因组大科学设施平台重大科技基础设施项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202404701.
