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O3 型层状过渡金属氧化物作为钠离子电池（SIBs）正极存在结构稳定性差等问题。研究人员通过界面修饰与构建微纳结构，制备 3D 打印的 NaNi0.33Mn0.33Fe0.33V0.01O2（NFMV）正极。该正极性能优异，为 SIBs 正极研究提供新思路。
在如今这个科技飞速发展的时代，各类电子设备、电动汽车以及大规模储能系统对电池的需求与日俱增。锂离子电池（LIBs）凭借其出色的性能，在过去很长一段时间里占据着电池市场的重要地位。然而，锂资源的相对稀缺和分布不均，给锂离子电池的可持续发展带来了巨大挑战。此时，钠离子电池（SIBs）凭借钠资源丰富、成本低、低温性能好等优势，逐渐走进人们的视野，有望成为锂离子电池的有力替代者。
在钠离子电池的众多正极材料中，层状过渡金属氧化物（NaxTMO2，0 < x ≤ 1）备受关注，其中 O3 型结构因其独特的 ABCABC 堆叠序列，能容纳较多钠离子（Na+），具备高容量和高初始库仑效率，被视为大规模应用的极具潜力的选择。O3 型 NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（NFM）更是由于理论容量高、无钴且成本低，成为研究热点。但 NFM 也存在稳定性差、倍率性能有限、空气稳定性不足等问题，严重制约了其实际应用。
为了解决这些难题，国内研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们将界面修饰与微纳结构构建相结合，致力于提高 O3 型 NFM 的电化学性能。研究人员成功制备出了经过钒修饰的 NaNi0.33Mn0.33Fe0.33V0.01O2（NFMV）材料，并开创性地运用 3D 打印技术，制造出具有分级微纳结构的 3D 打印（3DP）NFMV 正极。
研究意义重大，该研究成果为 O3 型层状氧化物正极在钠离子电池中的应用开辟了新途径。通过界面修饰和结构优化，有望推动高性能可充电电池电极材料的发展，让钠离子电池在大规模储能、电动汽车等领域发挥更大的作用，缓解锂资源短缺带来的压力，为能源领域的可持续发展贡献力量。该研究成果发表在《Applied Materials Today》上。
研究中用到的主要关键技术方法包括：采用固态烧结法制备 NFM 和 NFMV 材料；利用 3D 打印技术构建 3DP NFMV 正极的分级网格结构；借助 X 射线衍射（XRD）等技术对材料的结构进行表征分析。
合成 NFM 和 NFMV
研究人员采用固态烧结法制备 NFM 正极材料。将商业 Ni1/3Fe1/3Mn1/3(OH)2前驱体与 Na2CO3按照 TM:Na = 1:1.05 的摩尔比（钠过量 5% 以补偿钠损失）混合，随后在马弗炉中以 2°C/min 的升温速率加热至 900°C，并煅烧 15 小时。制备 NFMV 时，则将 1mol% 的钒（IV）氧乙酰丙酮、Ni1/3Fe1/3Mn1/3(OH)2和 Na2CO3（TM:Na 比例为 1:1.05 ）分散在乙醇中。
结果与讨论
研究人员以商业 Ni1/3Fe1/3Mn1/3(OH)2为原料，通过固态烧结法制备了 NFM 和 NFMV 样品。XRD 分析结果显示，两者的衍射峰均与 PDF 卡片（PDF#54–0887）相符，呈现出类似于 α-NaFeO2（R-3 m 空间群）的六方晶格结构，表明它们均为 O3 层状结构。
实验和理论结果都证实，3DP NFMV 能够促进电荷传输，减少极化现象，增强界面和结构稳定性，进而提升倍率性能和循环稳定性。3DP NFMV 正极展现出高达 154.7 mAh/g 的初始容量，在 5C 倍率下仍能保持 99.4 mAh/g 的容量。即便在 9.45 mg/cm2的高负载下，经过 500 次循环后，5C 倍率下的容量仍可保持在 52.0 mAh/g。由 3DP NFMV 正极和 3DP 硬碳（HC）负极组装而成的 3DP 全电池，循环稳定性也十分出色，在 1C 倍率下循环 150 次后，容量仍能保持 105.5 mAh/g。
研究结论
在这项研究中，研究人员通过固态烧结法成功制备了钒修饰的 NFMV 材料。钒修饰有效提高了材料的结构稳定性和电荷传输能力，最终提升了循环稳定性和倍率性能。利用 3D 打印技术制造的 3D 分级多孔 NFMV 正极，进一步增强了电子传导性和离子传输能力。3DP NFMV 正极不仅初始容量高，倍率性能优异，而且在高负载下循环稳定性良好，3DP 全电池也展现出令人满意的循环稳定性。
该研究为高性能钠离子电池中 3DP O3 型层状氧化物正极的应用提供了宝贵的见解。它不仅为解决 O3 型层状氧化物正极材料面临的诸多问题提供了切实可行的方案，还为后续的电池材料研究指明了新的方向。通过界面修饰和结构优化的协同作用，有望推动可充电电池电极材料向更高性能、更实用化的方向发展，在未来的能源存储领域发挥更大的价值。
