深度氟化驱动的高倍率大容量钠离子电池层状氧化物正极材料研究

为解决钠离子电池(SIBs)层状氧化物正极材料在快充过程中相变不可逆、Na+扩散动力学差等问题，深圳大学团队通过高比例氟(F)取代氧位点，设计出P2-Na0.67Cu0.2Mn0.8O2?xFx材料。该材料通过优化Na+扩散路径与电子传导性，在20 C倍率下实现80 mAh g?1容量和78%循环保持率，为快充SIBs商业化提供新思路。

　　

在全球气候危机加剧的背景下，清洁能源存储技术成为国际焦点。钠离子电池(SIBs)因资源丰富、成本低廉被视为锂离子电池(LIBs)的理想替代品，但其商业化进程受限于正极材料的性能瓶颈——尤其是快充过程中层状氧化物的不可逆相变和缓慢的Na⁺扩散动力学。传统P2型材料Na_0.67TMO₂虽具有高容量优势，却易因Jahn-Teller效应引发晶格畸变，导致电池性能衰减。

针对这一挑战，深圳大学的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表突破性研究。他们创新性地采用"双锚定"策略：一方面在过渡金属层引入Cu掺杂抑制相变，另一方面通过深度氟化(F)取代氧阴离子位点，成功合成P2-Na_0.67Cu_0.2Mn_0.8O_2?xF_x系列材料。该研究通过共沉淀法合成材料，结合X射线衍射(XRD)精修和球差校正透射电镜(STEM)解析晶体结构变化，利用原位XRD监测充放电过程相变行为，并通过恒电流间歇滴定技术(GITT)量化Na⁺扩散系数。

Material synthesis
研究团队采用草酸共沉淀法制备前驱体，通过精确控制NaF添加量实现不同氟化程度(x=0.1,0.2,0.5)，最终在800℃煅烧获得目标产物。

Results and discussion
STEM分析揭示F取代使O–Na–O层间距从2.47?增至2.53?，显著降低Na⁺迁移能垒。GITT测试表明最优样品NCMOF0.2的Na⁺扩散系数达10^?9 cm² s^?1，比未氟化样品(NCMO)提升10倍。电化学测试显示，NCMOF0.2在20 C超高倍率下仍保持80 mAh g^?1容量，500次循环后容量保持率78%，且在4.2 V高压下仍保持结构稳定性。

Conclusions
该研究通过氟阴离子工程实现了三重突破：① 拓宽Na⁺扩散通道，使扩散速率提升一个数量级；② 增强TM-O层间电荷转移，电子电导率提高3倍；③ Cu/F协同作用形成"双重铆钉效应"，有效抑制高压相变。这项工作为开发兼具高能量密度和快充能力的SIBs正极材料提供了普适性设计策略，相关技术已申请中国发明专利。

CRediT authorship contribution statement
第一作者Guomin Li完成概念设计与方法开发，Lei Lei负责计算模拟，通讯作者Yanyi Wang和Peixin Zhang指导研究方向，团队整合了深圳大学材料学院与新能源研究中心的多学科优势。

这项研究的创新性在于突破传统元素掺杂局限，通过阴离子位点调控实现晶体结构"基因改造"，其成果对推动钠电在电动车快充场景的应用具有重要产业化价值。