微波辅助快速合成NaFe0.5Mn0.5O2层状氧化物正极材料及其在钠离子电池中的性能研究

为解决传统烧结法耗时耗能的问题，卡塔尔大学团队创新性地采用微波辅助溶胶-凝胶法快速合成O3型NaFe0.5Mn0.5O2正极材料。该材料展现出120 mAh/g的比放电容量，微观结构更致密，为钠离子电池(SIBs)低成本高效制备提供新思路。

　　

随着全球对可再生能源存储需求的激增，钠离子电池(SIBs)因其原料丰富、成本低廉等优势成为锂离子电池(LIBs)的重要补充。然而，SIBs正极材料开发面临两大瓶颈：钠离子较大半径(1.02 ?)导致的扩散动力学迟滞，以及传统烧结工艺需长达36小时的高能耗处理。更棘手的是，铁锰基层状氧化物虽具有高容量(100-200 mAh/g)和合适电压平台(3-4 V)，但其合成效率严重制约产业化进程。

卡塔尔大学的研究团队另辟蹊径，将微波烧结技术引入O3型NaFe_0.5Mn_0.5O₂(NFMO)材料的制备。与传统辐射加热不同，微波通过2.4 GHz频率的电磁波直接激发材料内部原子振动，实现"由内而外"的体加热。这种独特机制不仅能将烧结时间从数十小时缩短至数小时，还使材料获得更均匀的微观结构和更高的晶格致密度。相关成果发表在《Materials Research Bulletin》上，为绿色能源存储材料的产业化提供了关键技术突破。

研究团队采用三大关键技术：溶胶-凝胶前驱体合成法保证元素级混合均匀；微波烧结系统(工作频率2.4 GHz)实现快速致密化；同步进行X射线衍射(XRD)和里特维尔德精修确定O3型结构(R-3m空间群)。通过扫描电镜(SEM)观察到材料形成粒径1-2 μm的规则多面体颗粒，且Fe/Mn元素分布高度均匀。

【Material synthesis】
以醋酸钠、醋酸锰、醋酸铁为前驱体，柠檬酸为螯合剂，通过溶胶-凝胶法制备前驱体。关键突破在于采用微波炉在700°C仅需2小时完成烧结，较传统方法节省94%时间。

【Structural characterization results】
XRD精修显示样品为纯相O3型结构，晶胞参数a=3.028 ?，c=15.785 ?。红外光谱证实Fe-O(542 cm^-1)和Mn-O(435 cm^-1)键的形成，TEM显示(003)晶面间距0.56 nm的清晰层状结构。

【Electrochemical performance】
半电池测试显示，在0.05 C倍率下首圈放电容量达120 mAh/g，库伦效率91%。循环50次后容量保持率82%，优于传统烧结样品。GITT测试证实Na⁺扩散系数提升至10^-11 cm²/s量级。

该研究开创性地证明微波烧结可同步实现材料性能提升与能耗降低的双赢。通过原子尺度的电磁场耦合作用，使过渡金属层(Fe_0.5Mn_0.5O₂)形成更稳定的八面体配位，有效抑制充放电过程中的相变滑移。所获材料兼具成本优势(铁锰原料占比>80%)与性能竞争力(能量密度≈400 Wh/kg)，为大规模储能系统(ESS)提供了符合可持续发展理念的解决方案。特别值得注意的是，该方法可扩展至其他钠基层状氧化物体系，具有显著的普适性价值。