大湾区大学（筹）物质科学学院赵金奎课题组在高比能钠离子正极材料结构调控及中子散射研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Gradient and De-Clustered Anionic Redox Enabled Undetectable O2 Formation in 4.5 V Sodium Manganese Oxide Cathodes”为题，发表在国际知名期刊Advanced Materials上。
大湾区大学（筹）物质科学学院讲席教授赵金奎、松山湖材料实验室副研究员赵恩岳和中国科学院大学教授肖小玲为论文共同通讯作者，大湾区大学（筹）为论文通讯单位。本工作中子散射相关实验在中国散裂中子源（CSNS）完成，同时本工作得到了广东省自然科学基金、国家自然科学基金和松山湖大科学装置开放课题的支持。
钠离子电池原材料丰富、成本低廉且低温性能优异，在大规模储能领域显示出巨大的应用前景。锰基层状氧化物因其较高的压实密度和简单的制备工艺成为目前最具商业化潜力的钠离子正极材料之一。传统锰基氧化物正极材料（例如NaxMn5TM1-5O2, TM代表过渡金属）主要依靠TM阳离子的氧化还原反应提供电荷补偿，其可发挥的容量（或能量密度）有限。研究表明，通过在材料内构建非键态O2p轨道，晶格氧阴离子的氧化还原反应可以被激活，从而进一步提升材料的能量密度。然而，与TM电荷补偿不同，晶格氧电荷补偿容易诱发O2（包括限域分子O2和游离气态O2）生成，导致材料不可逆结构演化（例如TM迁移）和电化学性能衰退（例如电压/容量下降）。因此，避免或消除锰基氧化物材料晶格氧电荷补偿过程中的O2生成，对开发实用化高比能钠电正极材料意义重大。
大湾区大学物质科学学院赵金奎课题组联合松山湖材料实验室赵恩岳副研究员和中国科学院大学肖小玲教授，借助中子散射技术对锰基氧化物材料的晶体结构开展了系统调控和优化。研究人员开发了一种新型锰基层状氧化物正极材料，其分子式为Na7/9[Li1/9Ni1/9Mg1/9Mn6/9]O2。该材料具有多重氧化还原中心和超晶格结构单元，可同时实现梯度和非团簇的阴离子氧化还原反应。这种独特的结构设计分别从热力学和动力学上有效地避免了氧阴离子的过度氧化和晶格应力的集中，从而抑制了O2的形成。与X射线和电子相比，中子对O、Na等轻质元素更为敏感，并且能够精确地量化与氧晶格相关的TM迁移和结构演变。此外，为避免6Li同位素对中子的吸收，同时提高中子衍射数据质量，本工作选用7Li同位素锂源合成了用于中子散射测试的样品。研究人员利用上述中子表征技术在结构分析方面的优势，进一步结合非原位电化学测试方法，证实了该材料充放电过程中TM的迁移被成功抑制，同时多重超晶格结构也未得到破坏。本工作揭示了O2形成、超晶格结构单元、过渡金属迁移和储钠结构稳定性之间的耦合关系，为合理设计下一代低成本、高能量密度钠离子氧化物正极材料提供了新的视角。
图1. Na7/9[Li1/9Ni1/9Mg1/9Mn6/9]O2材料中子结构分析以及热力学和动力学调控结构示意图
