本网讯 近期，物理与材料工程学院新能源系教师张雪倩博士在水系钠离子电池的研究方面取得新进展，研究工作揭示了Na_0.44MnO₂（NMO）正极的共脱嵌机制，为大力发展高比能水系钠离子电池提供了实验基础。相关研究成果以“Revealing the Competitive Intercalation between Na⁺and H⁺ into Na_0.44MnO₂ in Aqueous Sodium Ion Batteries”为题，发表在国际著名期刊 Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater., 2023, DOI: 10.1002/aenm.202204413)上，该期刊2022年影响因子为29.698。

水系钠离子电池具有安全性高、钠元素储量丰富、环境友好等优势，在大规模储能应用中受到越来越多的关注。正极材料是决定水系钠离子电池成本和性能的关键，NMO作为水系钠离子电池正极材料使用时呈现理论比容量高、工作电位高、环境友好、原料分布广泛以及成本低等优点。在NMO特殊的三维隧道结构不仅能够提供较宽的钠离子扩散路径，还能够调节Na⁺脱嵌过程中产生的结构应力变化，使得Na⁺在其中进行可逆脱嵌的同时，NMO电极材料仍可维持相对稳定的结构，并能够输出 120 mAh/g的高比容量。然而，在水系电解液中，NMO一般在Na_0.22-0.44范围内脱嵌钠离子，输出的可逆比容量为40~50 mAh/g，严重制约了全电池的能量密度。造成这一现象的原因尚不明确，高比容量的NMO材料也鲜有报道。深入探究Na_0.44MnO₂的反应机制，对于发挥NMO材料的高比容量，进而提高全电池的能量密度至关重要。

为此，研究人员通过原位XRD和XPS等研究手段发现，在充放电过程中，钠离子和质子在NMO中会发生共脱嵌反应。随着钠离子的持续嵌入，钠离子嵌入能急剧增加，而质子的大量嵌入还会导致NMO结构发生不可逆相转变，这是NMO不能发挥其高比容量的根本原因。通过对水系电解液中钠离子和质子相对浓度以及迁移速率进行精细调控，抑制质子在NMO结构中共脱嵌反应，降低钠离子在NMO结构中嵌入能使得NMO材料在水系电解液中能够可逆输出101毫安时/克的高比容量。与聚苯硫蒽醌负极组装全电池，电池能量密度可达60瓦时/千克，1200次循环后容量保留率达到85%。

该工作揭示了水系电池中质子共脱嵌反应，提供了一种抑制质子脱嵌的方法，组装的水系钠离子电池能量密度高、循环寿命长、成本低，是非常有应用前景的一种储能电池体系。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、安徽省自然科学基金项目以及安徽省高等学校自然科技重点项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202204413

图1.NMO材料的原位XRD表征及结构演变示意图。

图2.NMO/PAQs全电池的电化学性能。