上海大学赵玉峰：最新Nature子刊！

要实现钠基电池在电网规模储能中的应用，需要电极材料能够在各种温度下均能促进快速稳定的电荷存储。然而，P2型层状过渡金属氧化物由于动力学缓慢和不利的电解质界面形成，不能完全实现上述目标。

为此，上海大学赵玉峰教授等人报道了能够在低温（LT，如-40 °C）下实现高效电池循环的Nb掺杂P2型正极活性材料（即Na_0.78Ni_0.31Mn_0.67Nb_0.02O₂，简称 P2-NaMNNb）的制备、物理化学和电化学表征。研究表明，Nb掺杂可以同时降低电子带隙和离子扩散能垒，从而实现电子和Na⁺的快速转移，特别是在缺钠状态下。

此外，在P2-NaMNNb的表面上沿Na⁺扩散通道的方向在原子尺度上形成了一层阳离子混合层（这使得形成薄而坚固的CEI），从而增强电荷转移并抑制循环时过渡金属的溶解。需要注意的是，Nb（0.02）取代使得高Na含量P2型正极材料中的Ni含量（0.31）相对较高，从而将Ni²⁺/Ni³⁺/Ni⁴⁺的电压平台维持在4.15~3.3 V。相对较高的Na含量（0.78）使晶体结构在缺钠状态下保持紧密，这也有利于在缺钠状态下快速的Na⁺（脱）嵌入。

图1. P2-NaMNNb中钠离子储存机制的理论研究

因此，P2-NaMNNb材料在工作电压为3.4 V（电压范围：2.4~4.15 V）、电流密度为92 mA g^-1下的容量为96.6 mAh g^-1，且具有出色的倍率容量（65.8 mAh g^-1@9.2 A g^-1）。有趣的是，P2-NaMNNb在25~-40 °C范围内呈现几乎不变的扩散系数（≈10^-9 cm² s^-1），这使得Na||P2-NaMNNb纽扣电池能够在1.84 A g^-1和-40 °C下循环并显示出大约63 mAh g^-1的稳定比放电容量。对于相同的电池配置，作者还报道了在368 mA g^-1和-40 °C下1800次循环后的容量保持率仍高达76%，最终放电容量约为70 mAh g^-1。

此外，作者将P2-NaMNNb与硬碳（HC）负极结合进行了测试，HC||P2-NaMNNb纽扣电池在25 °C 时的最大比能量和比功率分别为202 Wh kg^-1和7.75 kW kg^-1。这项研究不仅提出了一种能够在低温下高效循环的Nb 掺杂P2型正极，也为后续低温正极材料的开发提供了参考。

图2. HC||P2-NaMNNb纽扣电池的电化学表征

Niobium-doped layered cathode material for high-power and low-temperature sodium-ion batteries, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-30942-z