双离子掺杂提升钠离子电池层状正极材料电化学性能

董豪杰; 王文烨; 刘梦婷; 肖冰; 史乐; 王鹏飞

西安交通大学学报 ›› 2026, Vol. 60 ›› Issue (6) : 39 -49.

董豪杰, 王文烨, 刘梦婷, 肖冰, 史乐, 王鹏飞

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摘要

针对传统的P2型层状过渡金属氧化物Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂在电化学反应过程中发生大体积结构变化和Na⁺/空位有序排布，导致容量与平均电压快速衰减的问题，采用双离子掺杂策略在晶格中引入Li⁺和Fe³⁺合成了P2型正极材料Na_0.75Li_0.1Ni_0.2Fe_0.05Mn_0.65O₂。通过系统的电化学测试、结构与形貌表征和密度泛函理论计算，分析正极材料的晶体结构变化、电化学性能、电荷补偿机制以及动态结构演变机制。结果表明，所设计的正极材料在2.2～4.4 V的电压范围内拥有133.5 mA·h·g^-1的可逆容量、3.5 V的工作电压以及出色的循环稳定性（100圈循环后容量保持率为92.4%）,并具有良好的倍率性能(5C倍率下可逆容量为99.4 mA·h·g^-1)。Li⁺和Fe³⁺的协同作用实现了阴阳离子共同参与氧化还原，改善了材料的局部电子结构，降低了深度脱钠状态下的层间斥力，使得高电压区间的不可逆的大体积相变转变为了可逆的结构变化并且抑制了Na⁺/空位有序排布，提升了材料的结构稳定性。该研究利用双离子掺杂策略优化了层状正极材料的电化学性能，为开发高能量密度、长循环寿命的钠离子电池提供了参考。