三元共掺杂调控O3型钠离子电池无序相变及多步相变抑制效应研究

为解决O3型层状钠离子电池(SIB)正极材料在充放电过程中复杂相变和体积变化导致的循环性能不佳问题，研究人员通过Ti4+-Fe3+-Al3+三元共掺杂策略，开发出NaNi0.40Mn0.40Ti0.13Fe0.06Al0.01O2(NaNMTFA)正极材料。该材料在0.1C下实现125.1 mAh g?1比容量，200次循环后容量保持率达82.2%，3D打印全电池更展现出118.7 mAh g?1的高面积容量。研究揭示了元素掺杂对层间作用力和相变行为的调控机制，为高性能SIB正极设计提供了新思路。

　　

在能源存储领域，O3型层状钠离子电池(Sodium-Ion Batteries, SIB)正极材料因其高理论容量和丰富的钠存储位点备受瞩目。然而这类材料在充放电过程中会经历复杂的多步相变（phase transition），并伴随显著的晶格体积变化，严重制约其循环稳定性。

最新研究通过巧妙的Ti⁴⁺-Fe³⁺-Al³⁺三元共掺杂策略，成功制备出新型NaNi_0.40Mn_0.40Ti_0.13Fe_0.06Al_0.01O₂(NaNMTFA)正极材料。理论计算与实验数据共同揭示：钛离子(Ti⁴⁺)的引入有效缓解了晶格畸变，铁离子(Fe³⁺)补偿了钠脱嵌过程中的屏蔽效应衰减，而铝离子(Al³⁺)则强化了过渡金属层间的静电相互作用。这种"三管齐下"的协同效应，使得材料在2.0-4.0V电压范围内实现了平滑的固溶体反应(solid-solution reaction)，彻底规避了传统材料的多步相变难题。

电化学测试结果令人振奋：优化后的正极在0.1C倍率下展现出125.1 mAh g^?1的可逆容量，1C倍率循环200次后仍保持103.4 mAh g^?1的优异性能。更引人注目的是，采用3D打印技术构建的NaNMTFA||硬碳(HC)全电池，在正极面载量高达5.42 mg cm^?2的条件下，100次循环后容量保持率仍达88.9%，显著优于传统涂覆电极。这项研究不仅阐明了多元掺杂对材料相变行为的调控机制，更为发展高性能SIB正极材料开辟了新的技术路径。