通过界面工程抑制层间滑移：钠离子电池层状过渡金属氧化物的相变调控新策略

本研究针对钠离子电池层状氧化物正极材料中因MO2层滑移导致的相变问题，提出了一种基于X2/Y3相干界面的滑移抑制机制。通过理论计算与实验验证，团队设计出具有P2/P3界面的Na0.46Mn0.9Ni0.1O2材料，其界面密度(α)和均匀性(β)优化后展现出81.2%的500次循环容量保持率。该工作为高稳定性层状电极设计提供了新思路，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在可持续能源存储领域，钠离子电池因其资源丰富和成本优势被视为锂离子电池的重要补充。然而，层状过渡金属氧化物（NaxMO₂）正极材料在充放电过程中普遍存在MO₂层滑移引发的相变问题，导致结构坍塌和容量衰减。这种滑移行为源于Na⁺脱嵌时相邻MO₂层间的静电斥力变化，传统方法如阳离子掺杂仅能有限缓解该现象。

武汉理工大学的研究团队通过系统性结构分析和能量计算，首次揭示了X2/Y3（X,Y=P或O）相干界面可通过能量驱动机制抑制层间滑移。当界面两侧的P2和P3相结构对MO₂层滑移方向产生矛盾需求时，共享的界面层将保持静止以维持系统最低能量状态。基于此发现，研究人员设计出具有密集均匀P2/P3界面的Na_0.46Mn_0.9Ni_0.1O₂材料，其界面密度α达0.57、均匀性β仅0.17，接近理想值。

研究采用高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和同步辐射X射线衍射等关键技术。原子级观测显示P2/P3界面区MO₂层间距稳定在5.53?，远低于纯相材料的波动范围（P2:5.51?→6.08?）。原位表征证实该材料在4.0-1.8V工作区间内无新相生成，而对比样品P2/P3-NaMNO-PM则出现明显的P3→P'3相变。

X2/Y3相干界面与滑移抑制机制
密度泛函理论（DFT）计算表明，任何界面滑移都会导致至少一个高能相（如O3或O1）形成。当Na浓度为0.67时，滑移后结构的形成能比原始结构高0.2-0.5eV，这种能量壁垒从根本上阻止了滑移发生。

界面密度与界面均匀性
创新性提出量化参数α（界面密度）和β（界面均匀性），统计显示现有X2/Y3界面材料的α>0.5、β<0.3时循环性能提升显著。

P2/P3-NaMNO的结构与电化学性能
材料呈现交替堆叠的P2/P3纳米畴结构，SAED衍射证实两相共存。电化学测试显示其500次循环容量保持率达81.2%，优于纯P2相（67.1%）和物理混合样品（无改善）。

界面在P2/P3-NaMNO中的作用
充放电过程中，距界面较远的P3区域会转变为O'3相（θ角从80°降至73°），而界面附近区域始终保持稳定，验证了"界面锚定效应"。

该研究不仅阐明相干界面抑制滑移的原子机制，更建立了一套可量化的界面工程设计准则。通过扩展验证，团队在7种X2/Y3界面材料中均实现循环性能提升，证实了策略的普适性。这项工作为高稳定性层状电极开发提供了新范式，对推动钠离子电池实用化具有重要意义。论文提出的α/β参数体系为后续材料优化建立了标准化评价指标，其界面调控思路可延伸至锂离子电池等其他层状储能体系。