中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心赵成龙博士、陆雅翔副研究员、胡勇胜研究员团队与荷兰代尔夫特理工大学Prof. Marnix Wagemaker及法国波尔多大学Prof. Claude Delmas等提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法，并在实验上证实了该方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计制备提供了理论指导。相关成果以“钠离子电池层状氧化物材料的合理设计（Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries）”为题，于2020年11月6日在线发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708

　　钴酸锂（LiCoO₂）是最早商业化的锂离子电池正极材料。由于其具有很高的材料密度和电极压实密度，使用钴酸锂正极的锂离子电池具有最高的体积能量密度，因此钴酸锂是消费电子用锂离子电池中应用最广泛的正极材料。随着消费电子产品对锂离子电池续航时间的要求不断提高，迫切需要进一步提升电池体积能量密度。提高钴酸锂电池的充电电压可以提高电池的体积能量密度，因此开发下一代更高电压的钴酸锂材料已经成为科研界及企业共同关注的热点。目前，钴酸锂电池充电截止电压已经从1991年最早商业化时的4.20V逐渐提升至4.45V （vs Li/Li⁺），体积能量密度已经超过700Wh/L。然而随着充电电压的提高，钴酸锂材料会逐渐出现不可逆结构相变、表界面稳定性下降、安全性能下降等问题，限制了其实际应用。

　　在传统液态二次电池中，很多电极材料如过渡金属锰氧化物、硫电极、有机电极等在液体电解液中存在严重溶解现象，从而造成电极材料活性物质损失，容量衰减和寿命短等问题。近些年来，高盐浓度Solvent-in-Salt 【Nature Communications, 4, 2013】和Water-in-salt 【Science，350, 938, 2015】电解液的提出为拓宽电化学窗口，降低电极材料溶解，调节电极循环稳定性提供了一条很好的研究思路，尽管高盐浓度电解液对电极材料溶解的抑制作用已经得到了广泛印证，但到目前为止高盐浓度电解液抑制电极材料溶解微观机理仍然不够清楚。

　　层状金属氧化物(Na_xTMO₂, TM=过渡金属)不同的组成带来的复杂结构化学对层状堆积结构、钠离子电导率以及氧化还原活性起到决定性作用，为功能性材料的研究开辟了新途径。Na_xTMO₂主要包括O3和P2两种结构，其中P2结构因为开放的三棱柱扩散通道而具有更快的Na⁺扩散速率。但是P2型结构初始充电容量较低(<80 mAh g^-1)，平均电压小于3.2 V，在充电到更高电压时会经历P2到O₂或OP4/’Z’的相变而导致循环稳定性下降。

　　可穿戴电子器件和柔性屏的蓬勃发展推动着对先进柔性储能器件的不断研究。为了满足柔性和便携性的双重要求，柔性电池需要在电极材料选取和电池结构设计上同时具备良好的柔性，高能量密度和较好的安全性能。目前大部分柔性电池的研究主要针对于柔性材料和组件的开发，在电池整体结构上仍旧沿袭传统单极型设计，并且为了维持电池整体的柔性，导电性和连接性，往往引入大量额外的非活性组件，致使电池能量密度大大降低。鉴于此，针对可穿戴电池的应用特点进行电池结构上的创新设计尤为重要。

　　由于钠资源储量丰富且成本低廉，室温钠离子电池在未来大规模储能应用上表现出巨大的潜力，近两年已经在低速电动车和储能电站上成功实现了应用示范。O3层状过渡金属氧化物具备制备工艺简单、比容量高、首周库仑效率高和环境友好等优点，得到了研究人员的广泛关注。为了进一步发展具有高容量和长循环性能的钠离子电池正极材料，开发高镍O3-NaTMO₂正极材料有望成为解决这一问题的有效策略。目前锂离子电池NCM（镍钴锰）材料体系中的Ni含量已经可以提高到80%以上，无钴高镍正极也是目前锂离子电池的重要攻坚方向，但是进一步降低Co元素的含量遇到了很大的技术瓶颈，这也限制了其材料成本的进一步下降。在钠离子电池体系中情况却有所不同，由于Ni和Na的半径差异较大，在层状氧化物中几乎不存在Ni和Na互占位现象，这表明开发高性能的无钴高镍的钠离子电池层状氧化物正极具有较大可能。

　　水系钠离子电池兼具钠资源储量丰富和水系电解液本质安全的双重优势被视为一种理想的大规模静态储能技术。此前，我们针对这水系钠离子电池体系做了一些探索（Nature Communications 2015, 6, 6401；Advanced Energy Materials 2015, 5, 1501005；Advanced Energy Materials 2017, 7, 1701189）。目前水系钠离子电池主要受到水系电解液电压窗口窄（小于2 V）的制约，进而限制了水系钠离子电池的输出电压、能量密度和循环寿命等关键电化学性能指标提升，因此如何开发出宽电压窗口水系电解液是实现高性能的水系钠离子电池关键核心技术。