8月15日，京津冀国家技术创新中心培育的高科技企业中科海钠科技有限责任公司（简称“中科海钠”）科研领军者胡勇胜研究员团队在全球顶尖科学期刊《Science》上发布其最新研究成果《Decoupling the Air Sensitivity of Na-Layered Oxides》，这一突破性发现为钠离子电池的商业化进程提供了重要的解决方案，再次彰显我国在钠离子电池技术领域的国际领先地位。

层状氧化物是锂离子电池和钠离子电池的重要正极材料，与锂层状氧化物不同，钠层状氧化物（NaxTMO2，TM代表过渡金属）对空气更敏感，在湿空气中几小时内便可发生劣化，导致钠含量下降，从而造成电池容量的不可逆损失。这一问题已困扰研究者四十余年，成为其商业化进程中亟待克服的重要障碍。

深刻理解这一问题的根本原因，并提出切实可行的设计原则来解决它，是推动钠离子电池走向实用化的关键一步。中国科学院物理研究所研究员、中科海钠董事长/首席科学家胡勇胜，中国科学院物理研究所副研究员陆雅翔，长三角物理研究中心特聘研究员容晓晖，与燕山大学教授黄建宇等合作，详细研究了不同气体与钠离子层状氧化物正极材料的相互作用机理，并阐明了材料的劣化路径。该研究团队还创新性地开发了标准化测试方法，实现对不同材料空气稳定性的定量比较，明确影响材料空气稳定性的本征因素，并提出合理的材料改性设计原则。该工作以广泛研究的NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂（NFM111）作为模型材料，并扩展至其同系物，结合使用多种先进的原位、非原位表征技术，发现水蒸气、二氧化碳或者氧气单独存在时并不会引发材料显著的劣化反应。水蒸气在劣化过程中起到关键性的桥梁作用，通过与二氧化碳或氧气共存，分别引发材料的酸性降解和氧化降解过程。其中，酸性降解将引发剧烈的Na⁺/H⁺交换，在材料表面形成碳酸钠或碳酸氢钠，同时还将引发裂纹拓展生长、晶格扭曲、位错产生和强酸性条件下的表面过渡金属离子还原和重构等后续反应。氧化降解中，体相中氧化物氧化还原电位较低的过渡金属离子将优先被氧化，同时释放出钠离子形成氢氧化钠，被氧化的过渡金属离子（Ni³⁺）在表面通常不稳定，容易被还原从而引发表面重构。

根据上述发现，该工作指出打破气体间的耦合作用是实现材料稳定存储的关键外在因素。为了量化层状氧化物正极材料的空气劣化程度，该团队开发了一种基于滴定气相色谱技术的标准化空气稳定性测试方法，用以定量评价不同反应路径的贡献和比较不同材料的空气稳定性。根据30余种材料劣化后钠损失量的定量分析，在这项研究中定义了一个新的参数——阳离子竞争系数η——包含了过渡金属的加权平均离子势、初始钠含量和钠的离子势，以反应脱钠的难易程度。研究发现，酸性降解是主导整体劣化过程的关键因素；降低阳离子竞争系数和增加颗粒尺寸可以有效地提升材料抵抗酸性劣化的能力；选择高电位的氧化还原对可以有效地增强材料的抗氧化劣化的能力。基于对提升层状氧化物空气稳定性的深入认识，团队设计的改性材料可将钠损失量由模型材料的0.489降低至0.019（减少了96%）。

该工作揭示了材料界面和体相的劣化演变过程，明确了影响材料空气稳定性的本征因素，并提出了相应改善策略，为设计更稳定、更耐用的层状氧化物正极材料提供了技术方法和指导原则。

继2020年在《Science》上首开钠离子电池领域研究先河，赢得国际科学界高度赞誉后，胡勇胜研究员团队四年磨一剑，再次发布最新科研硕果，不仅稳固了中国在全球钠离子电池技术前沿的领航地位，更为全球钠离子电池商业化进程铺设了坚实的理论基石与实践路径。展望未来，中科海钠将继续深耕钠离子电池技术，加速商业化步伐，为我国新能源产业注入强劲动力，共绘绿色、可持续发展新篇章！

文献信息:

Yang Yang†, Zaifa Wang†, Congcong Du, Bowen Wang,Xinyan Li, Siyuan Wu, Xiaowei Li, Xiao Zhang, Xubin Wang, Yaoshen Niu, Feixiang Ding, Xiaohui Rong*, Yaxiang Lu*, Nian Zhang, Juping Xu, Ruijuan Xiao, Qinghua Zhang, Xuefeng Wang, Wen Yin, Junmei Zhao, Liquan Chen, Jianyu Huang*, Yong-Sheng Hu*, Decoupling the air sensitivity of Na-layered oxides, Science, 2024, 385: 744-752

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm9223