《Nature Energy》：钠离子电池超快充放电！层状氧化物正极中的可逆溶剂嵌入

香港城市大学刘奇、曾晓成、任洋团队合作在钠离子电池正极反应机制研究方面取得新进展。研究发现，在特定电解液体系中，电解液溶剂分子可以进入层状氧化物正极的层间，并在充放电过程中发生可逆嵌入与脱出，从而加速电极反应。相关成果以Solvent intercalation in layered cathodes for ultrafast sodium-ion batteries为题发表于《Nature Energy》。第一作者：王星宇、范淇、王蔚、梁雄毅。通讯作者：刘奇、曾晓成、任洋。通讯单位：香港城市大学。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-026-01995-x

层状过渡金属氧化物是钠离子电池的重要正极材料之一，其储能过程通常依赖于Na+在层间的嵌入与脱嵌。然而，在高倍率充放电条件下，Na+在固相中的迁移往往伴随正极材料的晶格畸变、层间滑移等结构变化，从而限制离子扩散动力学。因此，在保持结构稳定的同时提升离子迁移速率，是层状正极材料实现快速充电的重要研究问题。

在本研究中，研究人员以P’2型Na0.67MnO2为模型正极，对比研究了不同电解液体系中的电化学行为。实验结果表明，当采用二乙二醇二甲醚基电解液（1.0 M NaPF6 in diglyme）时，在高电压区间会出现新的电化学反应过程，表明溶剂分子可能参与插层反应。电化学测试表明，该体系在高倍率条件下仍保持较好的容量输出。例如，在10 A g-1（约67C，其中1C = 150 mA g-1）的电流密度下，正极在小于30秒的充电时间内仍可提供约77.4 mAh g-1的可逆容量；在2 A g-1条件下循环500次后容量保持率仍超过70%。

图1 层状正极中溶剂嵌入反应示意与电化学性能

为了进一步确认这一反应过程，研究团队开展了原位结构表征。原位X射线衍射结果显示，在充电过程中材料会形成具有特征衍射峰的中间结构，并在随后的放电过程中可逆消失。结构分析和计算模拟表明，这一结构变化与溶剂分子进入层间空间有关，从而形成一种可逆的溶剂插层相。

图2 原位X射线衍射揭示溶剂插层相的结构

为了进一步理解高倍率条件下的反应动力学，研究团队利用同步辐射开展了原位超快X射线吸收谱实验。该实验采用的超快X射线吸收谱技术结合特制模具，可在约1秒时间尺度内获得完整吸收谱，从而实时追踪充放电过程中过渡金属价态的变化。实验结果表明，即使在约100C的高倍率条件下，Mn K-edge仍表现出清晰且可逆的变化，说明电池容量主要来源于体相Mn的法拉第氧化还原反应。

图3 超快原位X射线吸收谱揭示快速氧化还原动力学

此外，研究团队结合第一性原理计算计算，对溶剂分子嵌入层状结构后的离子迁移行为进行了分析。计算结果表明，溶剂分子进入层间空间后能够调节层间结构环境，并降低Na+迁移的能量，从而有利于提升离子扩散动力学。这一理论结果与实验观测结果相一致，为理解溶剂参与插层反应的动力学机制提供了重要的理论依据。

图4 理论计算揭示溶剂嵌入对离子迁移动力学的影响

该研究表明，在层状氧化物正极中，电解液溶剂在特定条件下可以参与可逆电化学嵌入/脱出过程，这为理解高倍率条件下的电极反应机制提供了新的视角，也为通过电极材料与电解液协同设计提升钠离子电池快充性能提供了新的研究思路。

该论文第一作者为香港城市大学王星宇博士，范淇科研助理，王蔚博士和梁雄毅博士。论文通讯作者为香港城市大学刘奇教授、曾晓成教授和任洋教授。该研究由香港城市大学研究团队完成。本研究得到了深圳市科技计划项目、香港研究资助局等项目的支持。

刘奇教授是速方新能源创始人和香港城市大学终身教授，曾在美国阿贡国家实验室从事科研工作，并参与过华为消费电池正极材料研发项目，在锂离子电池领域拥有逾十年的深厚研究积累。在技术层面，速方新能源已成功突破富锂锰基正极材料长期存在的电压衰减瓶颈，实现了材料性能的重要提升。目前，速方新能源百吨级生产线已正式投产，所研制的高压纯用富锂锰基正极材料样品已陆续送抵多家头部电池企业进行测试验证。与此同时，速方新能源还同步开发了富锂锰基正极补锂剂产品，计划率先在中低压混合掺用场景中推动商业化应用，进一步拓展其材料体系的市场覆盖。

曾晓成教授长期致力于物理化学领域分子及表界面物质结构的理论研究。他在表界面水科学、极端条件物理化学及团簇科学等领域做出了开创性的学术贡献。曾晓成教授已发表SCI论文750余篇，其中包括Nature、Science共计7篇（含纯理论2篇），以（共同）通讯作者在综合及学科顶级期刊发表Nature及Science子刊共25篇、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. / J. Am. Chem. Soc ./ Angew .Chem. Int. Ed. 共102篇。曾晓成教授是欧洲科学院化学部外籍院士，美国物理学会/材料研究学会/科学促进会会士、英国皇家化学会会士。曾晓成教授还荣获美国古根海姆 (Guggenheim)奖，英国皇家化学会表界面奖（所有获奖者中唯一非欧洲学者), 美国化学学会中西部奖（1944年颁发以来首位华人获奖者）等国际奖项和荣誉。曾晓成教授现任香港城市大学材料科学及工程学系系主任。在2025年US NEWS学科排名中，香港城市大学材料科学（Materials Science）学科排名世界 No.5。(https://www.usnews.com/education/best-global-universities/materials-science）

香港城市大学（城大）物理学系系主任、讲座教授任洋教授荣膺本年度美国物理学会会士。美国物理学会赞扬任教授为研发高能同步辐射X射线仪器的先躯，促进其在材料物理领域的变革性应用，为材料结构-性能关系提供前所未有的洞见。任教授同时为城大材料科学及工程学系讲座教授，并领导赛马会「能源与材料物理」创科实验室，利用尖端科学设备专门研究绿色能源和技术创新相关材料的基础和应用。加入城大前，他曾担任美国阿贡国家实验室的高级物理学家，及先进光源中心的首席光束线科学家。任教授的研究专长为同步辐射X射线实验装置的研发与应用，及能源与材料物理。任教授于2020至2025年获史丹福大学列为「全球排名首2%科学家」（终身及年度科学影响力排行榜），并于2022及2023年被科睿唯安引选为「最广获征引研究人员」。他曾获中华人民共和国香港特别行政区政府颁发「全球创科学人」名衔，以及美国阿贡国家实验室的优良服务奖章。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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