O3相层状氧化物因具有稳定的拓扑晶格骨架和可调控潜力，成为高端电池主流正极活性材料之一。然而，其对环境敏感所导致的表面残碱问题，阻碍了该类材料的大规模应用。水洗作为锂基正极材料工业化去除表面残碱的常用方法，在钠基材料中却会引发晶格坍塌、活性碱金属离子大量溶出等严重问题。
2026年3月19日，西北工业大学沈超、谢科予在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Deciphering the liquid-solid interactions in dealkalization of O3 layered oxides》的研究论文，张伍玖为论文第一作者，沈超、谢科予为论文共同通讯作者。
本文提出主体固相正极材料与客体液相溶剂间的相互作用机制，阐明了脱碱过程中，材料的结构劣化依赖于分散溶剂的分子构型以及碱金属–氧键共价性。对于水（H3O+），分子自蔓延嵌入钠层并随后发生质子化，会诱导钠离子流失，进而导致晶格失稳。与之相对，高效脱碱剂乙二醇则因尺寸效应的限制，能够避免材料发生进一步结构劣化。基于正极材料随时间扩展的劣化规律，本研究建立了适用于液相稳定性评估的分析框架。该工作为O3相层状氧化物的液相改性工程提供了基础理论指导。
在高性能二次电池技术快速发展的推动下，清洁能源转型取得了显著进展。层状氧化物因具有开放的二维扩散通道，已成为高功率、高比能二次电池的重要正极活性材料（PEAM）。O3相过渡金属氧化物（TMO）已成为先进锂离子电池中具有商业化前景的正极材料。相较于锂资源储量有限且地理分布不均，钠基电池的持续发展推动了不受地域差异限制的清洁能源技术进步。
然而，O3相材料的规模化应用受限于苛刻的碱性合成条件与不稳定的骨架结构。由此产生的表面残碱（SRA）及其引发的全生命周期问题，已成为其大规模应用的桎梏。与锂基过渡金属氧化物（LiTMO2）相比，钠基过渡金属氧化物（NaxTMO2）因碱金属层间距更大（Na+离子半径1.02Å，Li+为0.76Å），在环境空气中更易发生反应，表现出更高的表面残碱含量。特别是O3型NaTMO2极易出现表面残碱升高、活性钠流失与结构劣化现象。这种敏感性从多方面制约了其成熟应用：（1）粉体表面污染；（2）电极浆料凝胶化；（3）电化学性能衰减；（4）高压下电驱动产气。
目前通常采用被动防控策略（调控化学性质、惰性包覆层）与主动去除策略（脱碱处理）解决表面残碱问题。液相洗涤脱碱并配合二次烧结，已成为锂基高镍正极材料广泛应用的工业化方案。高效但具有潜在破坏性的水性脱碱溶剂包括水或硼酸、硝酸、盐酸、NH4H2PO4、LiH2PO4等弱酸性溶液；有机溶剂主要包括甲醇、乙醇、N-甲基吡咯烷酮等。遗憾的是，O3-NaTMO2对水性介质敏感，在脱碱过程中面临严峻挑战。研究者发现，NaTMO2在水/湿气处理下会发生显著的活性钠溶出与层状结构破坏，表现为比容量骤降。这一现象常被归因于Na+/H+交换（与LiTMO2类似），但未能解释随时间加剧的深度结构劣化。液相脱碱过程中涉及的液-固接触科学问题，阻碍了O3-NaTMO2材料的进一步规模化应用。
本工作以O3-NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（简称NFM，一种已在海钠电池、NATRIUM等实现小规模产业化的典型O3-NaTMO2）脱碱过程中的液-固耦合相互作用为研究对象，通过系统表征对比研究了水与乙二醇两种典型溶剂的脱碱效果。从加工性能、电化学性能与安全性角度验证了乙二醇脱碱的有效性，并通过正向/逆向结构表征揭示了材料的关联性失效行为。进一步提出由溶剂分子嵌层驱动的液-固相互作用机制，阐明了耦合作用过程。基于所建立的分析框架，将变量回归至主体O3层状氧化物，将研究范围拓展至更多钠基过渡金属氧化物与锂基高镍氧化物，以水为参比溶剂验证了该机制的普适性。本文定义“碱金属流失量”以量化结构损伤程度，从而评估正极材料对液相环境的稳定性耐受区间。该工作为脱碱工艺的优化与创新提供了支撑，有助于高敏感性氧化物正极材料的规模化应用，进一步提升廉价且分布广泛的钠基储能技术在未来清洁能源存储中的应用潜力。
本研究以O3型层状氧化物正极材料为研究对象，针对其表面残碱难以高效脱除且水洗易引发晶格崩塌、活性钠离子大量溶出等规模化应用难题，系统揭示了脱碱过程中固相主体材料与液相溶剂的相互作用机制，阐明了结构劣化与溶剂分子构型、碱金属-氧键共价性的依赖关系，明确水分子可自发嵌入钠层并引发质子化与钠离子连续泄漏，而乙二醇因尺寸效应能阻止分子嵌入与结构深度破坏，实现高效且低损伤脱碱。
研究通过多维度表征与逆向结构分析，验证了乙二醇脱碱后材料在浆料加工性、电化学容量、循环稳定性及电池产气安全性上的显著提升，结合第一性原理计算从热力学与电子结构层面阐释了溶剂分子嵌入、质子化、碱金属溶出的耦合关联，并将该作用机制与分析框架拓展至多种钠基及富锂镍基O3型层状氧化物，定义“碱金属损失”作为量化结构损伤与液相稳定性耐受度的评价指标，完善了敏感正极材料液相处理的稳定性评估体系。
该成果突破了传统水洗工艺不适用于高敏感钠基层状氧化物的技术瓶颈，为O3相层状氧化物的液相脱碱工艺优化与革新提供了基础理论指导，同时建立的固液相互作用分析框架可广泛适用于电极材料制备、水系极片加工、长期储存、循环再生等多场景的质传递过程研究，对推动高敏感性氧化物正极材料的规模化应用、夯实钠基储能技术的产业化基础、拓展低成本广域分布的钠基储能在清洁能源存储领域的应用潜力具有重要科学价值与工程意义，也为电极材料-溶剂体系的理性设计、工艺路线定制化开发提供了通用思路与评价准则，有望带动相关正极材料后处理技术产业升级，加速钠电在大规模储能等场景的商业化落地。
Deciphering the liquid-solid interactions in dealkalization of O3 layered oxides. Nat. Commun., (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70581-2.
（来源：网络版权属原作者 谨致谢意）
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