2019年，锂离子电池获得诺贝尔化学奖，将电池霸主的地位坐稳。然而，锂离子电池有本征的天花板。当今时代，人们对电池的成本、寿命、安全性都有更高的要求。

2008年，胡勇胜从加州大学圣芭芭拉分校博士后出站，受到陈立泉院士邀请，回到中科院物理所工作。胡勇胜长期致力于储能材料和储能器件研究，主要研究方向包括固态离子学和钠离子二次电池关键材料等。在锂离子电池的研究如日中天的时候，他将主要精力放在了相对冷门的钠离子电池。

十年磨一剑，胡勇胜团队提出了低温/室温钠离子储能电池用新型正极材料、电解质材料和负极材料，为钠离子电池的实用化奠定了基础。基于自主知识产权，他们实现了全球首次实现钠离子电池量产，每个月可以生产30万支电芯，并开发了全球首辆钠离子电池低速电动车。

基础研究的突破，是产业发展的核心动力。

2020年11月6日，胡勇胜课题组再次在基础研究领域突破，发展了一种全新的策略来预测和设计高性能钠离子电池材料，文章发表在今天的Science杂志。

第一作者：Chenglong Zhao，Qidi Wang，Zhenpeng Yao
通讯作者：Yong-Sheng Hu，Yaxiang Lu， Marnix Wagemaker，Claude Delmas，Alán Aspuru-Guzik
通讯单位：中科院物理研究所，荷兰代尔夫特理工大学，法国波尔多大学，美国哈佛大学

研究亮点：
1. 引入“阳离子势”概念，使得层状材料的结构预测成为可能。
2. 成功预测并发展了一系列高性能钠离子电池层状氧化物材料。

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钠离子电池因其丰富的天然钠，在电网规模储能方面受到了广泛的关注。目前，其性能受到可用电极材料的限制，尤其是钠离子层状氧化物，这无疑促进了人们开发具有高组成多样性的层状氧化物材料。

组分在决定结构化学对电化学性能具有决定性作用，然而，其预测难度很大，特别是对于复杂的组成。对于Na离子氧化物，除了O型以外，还可能具有P型堆积结构。

成果简介
有鉴于此，中科院物理研究所胡勇胜研究员，陆雅翔副研究员，荷兰代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker，法国波尔多大学ClaudeDelmas，美国哈佛大学Alán Aspuru-Guzik报道了引入“阳离子势”用于捕捉层状材料的关键相互作用，并使预测堆积结构成为可能。

图1. 阳离子势及其在钠离子电池中的运用

精准设计
较大的阳离子电势意味着更强的TM电子云扩展和层间静电排斥力，导致P2-型结构的d（O-Na-O）距离增加。与此相反，通过增加Na含量而获得的更大的平均Na离子电势会增加TMO2层之间静电排斥的屏蔽，有利于O3-型结构。相图结果表明，TM或Na含量差异很小可导致P2-和O3-型结构之间的过渡。
研究人员以阳离子势为指导，通过控制Na含量和TM组分，设计了特定的堆积结构。

通过一种典型的固态反应体系，研究人员在预测的O3-型结构中成功地制备了NaLi1/3Ti1/6Mn1/2O2。XRD的Rietveld精修结果证实了其层状岩盐结构。电化学性能显示，其能量密度约为630 WH kg?1，高于已报道的O3-型电极。

图2. 设计O3-型氧化物结构

针对x>0.67的反常高钠离子含量，研究人员又从NaLi1/3Mn2/3O2开始，并根据阳离子电势，预测并成功了具有高钠含量的P2-型结构的Na5/6Li5/18Mn13/18O2。迄今为止，如此高钠含量的层状氧化物通常结晶为O3-型结构。电化学性能测试结果显示，这种高钠含量材料具有相当高的容量，超过200 MAh g?1。

图3. 设计P2-型氧化物结构

体系拓展
研究人员将阳离子势扩展到其他碱金属层状氧化物，包括Li离子和K离子。结果显示，阳离子势（Eq.1）从K到Na到Li离子不断增加。因此，KxTMO2主要结晶为P2-型，而LixTMO2主要结晶为O3-型结构，而NaxTMO2可以结晶为P2-和O3-型结构。

图3.针对碱金属层状氧化物的阳离子势相图

小结
总之，这项研究通过合理设计和制备性能更好的层状电极材料，证明了这一点。由于堆积结构决定了功能，这种方法为碱金属层状氧化物的设计提供了一种有效解决方案。

参考文献：
Chenglong Zhao, et al, Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries, Science, 2020
DOI: 10.1126/science.aay9972
http://science.sciencemag.org/content/370/6517/708
信息来源：纳米人
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