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31日，記者從湘潭大學獲悉，該校化學學院劉黎教授團隊，聯(lián)合南京航空航天大學和南開大學科研團隊，從晶體學對稱性出發(fā)，提出了一種極具突破性的“面外對稱性設計”結(jié)構(gòu)，為高性能鈉離子電池正極材料的設計提供了新范式，為鈉離子電池由實驗室研究邁向?qū)嶋H應用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了重要的技術(shù)參考。相關(guān)成果日前發(fā)表于國際期刊《美國化學會志》。

鈉資源的豐富性，使鈉離子電池成為大規(guī)模、經(jīng)濟高效儲能中極具前景的選擇。但鈉離子電池在充放電過程中面臨復雜的相變和嚴重的電壓滯后問題，極大限制了其實際能量密度和循環(huán)壽命。傳統(tǒng)的改性策略多集中在對層狀氧化物材料面內(nèi)的金屬離子摻雜或無序化設計，這往往難以根治面外堆疊次序引發(fā)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。

科研團隊從晶體學對稱性出發(fā)，揭示了鈉離子電池在調(diào)控離子傳輸動力學與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制，提出了“面外對稱性設計”。他們通過在堿金屬層中引入電荷歧化，巧妙地誘導了P3型層狀氧化物材料發(fā)生單斜晶格畸變。這種畸變打破了原有晶體的對稱性，構(gòu)建了一種獨特的面外對稱性。不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種新對稱性允許P型和O型鈉離子間隙位點共存，從而阻斷了氧離子的長程有序滑移，有效抑制了有害相變的發(fā)生。

研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)調(diào)控策略為高能效、低滯后鈉離子電池正極材料的設計與研究提供了全新途徑?；谠摬呗栽O計制備的層狀氧化物正極材料由于結(jié)構(gòu)演化被有效抑制，材料100圈循環(huán)中的平均電壓滯后僅0.16伏，同時具有高達每千克437瓦時的能量密度，在每克100毫安的電流密度下，200圈循環(huán)后容量保持率高達80.2%，遠超用于對比的P3型層狀氧化物正極材料。

劉黎表示，該成果的結(jié)構(gòu)設計策略具備良好的普適性，有望拓展至其他層狀電極體系，為高性能電極材料的理性設計提供新范式。