低成本、高性能的钠离子电池研究，对于加快我国“双碳”目标实现、促进可再生清洁能源的高效利用意义重大，而正极材料直接决定了钠离子电池的安全性、能源密度、寿命等，因此针对高性能正极材料的研发至关重要。 近日，原子能院核物理研究所中子散射团队设计出一种超结构有序的高性能P2相层状金属氧化物正极材料，研究结果发表于英国皇家化学会材料类国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A (材料化学A版)》 ，影响因子为10.7，文章第一作者为原子能院李正耀副研究员，通讯作者为原子能院孙凯研究员、陈东风研究员及上海大学宁芳华博士。
为解决P2型正极材料钠离子扩散动力学，以及高电压下P2-O2相变导致的快充能力与长循环寿命差等问题，研究人员在前期设计的超结构材料基础上，首次通过三种元素位置选择性掺杂策略，采用钙、锂和氟元素调控，研发出过渡金属有序、钠离子/空位无序的正极材料。
通过中子衍射，团队发现新材料中元素形成了超晶格有序结构，这提高了材料的大电流充放电能力和结构稳定性。在12分钟快充快放条件下，新材料可完成接近80%初始容量，在500次充放电循环后，仍具有超过80%的容量保持率。材料良好的性能来源于快速的钠离子扩散动力学，以及超结构有序降低的带隙宽度，为后续研发高性能层状正极材料提供了理论与技术基础。
材料快充快放性能分析及在充放电过程中的结构演化
此次成果也是中国先进研究堆全面开放应用的重要进展。利用中子衍射技术，研究团队分别与北京科技大学、东北大学合作，发现了材料中的元素在结构中的分布及有序度变化，为解释材料电化学性能提供了晶体结构数据。研究结果已发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials (先进功能材料)》(影响因子为18.5)与《Journal of Energy Chemistry (能源化学)》(影响因子为14.0)。
