这项研究为开发更稳定、更持久的钠离子电池提供了宝贵见解，有望推动可再生能源更广泛的应用。

日本科学家开发的一种新方法不仅提升了钠离子电池的性能，还延长了其使用寿命。钠（Na）是地球上第六丰富的元素，相比锂离子电池，其资源可获得性更高。

钠电池被认为是锂离子电池的一种经济高效且可持续的替代品，但在某些条件下仍面临挑战。

研究人员最近的这项研究探讨了正极材料的设计如何在决定电池寿命和稳定性方面发挥关键作用。

层状锰酸钠（NaMnO2）作为钠离子电池的正极材料，已受到研究人员越来越多的关注。

锰基氧化物：前景广阔的解决方案

“我们的研究结果证实，锰基氧化物是开发高耐用性钠离子电池的一种有前途且可持续的解决方案，”东京科学大学的 Shinichi Komaba 教授表示。

“由于锰和钠的成本相对较低，这项研究将为包括智能手机和电动汽车在内的多种应用带来更实惠的储能解决方案，最终实现更可持续的未来。”

揭示晶体结构差异与挑战

研究人员揭示，NaMnO2 存在两种晶体形式：α-NaMnO2 和 β-NaMnO2。

  • α相：具有单斜层状结构。其中，由共享棱边的扭曲 MnO6 八面体构成的平面状 MnO2 层交替堆叠，钠离子位于层间。
  • β相：具有波纹状或锯齿状的层，同样由共享棱边的扭曲 MnO6 八面体构成，钠离子也位于层间。根据新闻稿，β-NaMnO2 的合成通常需要更高温度，但这常常导致缺钠相的产生。

解决严重容量衰减问题

研究人员指出，试图避免产生缺钠相的做法会生成非平衡的β相，这些β相会表现出多种缺陷。
其中最显著的是堆叠缺陷（SFs）。这些缺陷是由晶体 b-c 面滑移形成的，产生的堆叠序列类似于α相。科学家们表示，由含堆叠缺陷（SF）的 β-NaMnO2 制成的电极在充放电循环中会遭受严重的容量衰减，限制了其实际应用。此外，堆叠缺陷也使得理解该材料的固态化学性质变得复杂。

铜掺杂：稳定结构的关键

“在之前的一项研究中，我们发现，在金属掺杂剂中，铜（Cu）是唯一能够成功稳定β-NaMnO2的掺杂剂，”东京科学大学（TUS）应用化学系的 Shinichi Komaba 教授说。

“在这项研究中，我们系统地探索了铜掺杂如何能抑制堆叠缺陷（SF）并提升β-NaMnO2电极在钠离子电池中的电化学性能。”

显著成果与应用前景

这项发表在《先进材料》期刊上的研究表明，经过铜掺杂的样品（NMCO-12）在150次循环后未显示容量衰减。这表明无堆叠缺陷的β相具有高度可逆性，并且在钠离子脱嵌过程中能有效抵抗各向异性板片滑移和晶格体积的大幅变化。这些发现凸显了锰基氧化物对钠离子电池的重大影响。

这项研究还表明，利用铜掺杂稳定堆叠缺陷（SF），可以解决通常由锂等金属带来的供应链脆弱性问题。此外，根据新闻稿，该研究在电网储能、电动汽车和消费电子产品领域也具有潜在的应用前景。

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