《Nature Energy》：鈉離子電池超快充放電！層狀氧化物正極中的可逆溶劑嵌入

香港城市大學劉奇、曾曉成、任洋團隊合作在鈉離子電池正極反應機制研究方面取得新進展。研究發現，在特定電解液體系中，電解液溶劑分子可以進入層狀氧化物正極的層間，并在充放電過程中發生可逆嵌入與脫出，從而加速電極反應。相關成果以Solvent intercalation in layered cathodes for ultrafast sodium-ion batteries為題發表于《Nature Energy》。第一作者：王星宇、范淇、王蔚、梁雄毅。通訊作者：劉奇、曾曉成、任洋。通訊單位：香港城市大學。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-026-01995-x

層狀過渡金屬氧化物是鈉離子電池的重要正極材料之一，其儲能過程通常依賴于Na+在層間的嵌入與脫嵌。然而，在高倍率充放電條件下，Na+在固相中的遷移往往伴隨正極材料的晶格畸變、層間滑移等結構變化，從而限制離子擴散動力學。因此，在保持結構穩定的同時提升離子遷移速率，是層狀正極材料實現快速充電的重要研究問題。

在本研究中，研究人員以P’2型Na0.67MnO2為模型正極，對比研究了不同電解液體系中的電化學行為。實驗結果表明，當采用二乙二醇二甲醚基電解液（1.0 M NaPF6 in diglyme）時，在高電壓區間會出現新的電化學反應過程，表明溶劑分子可能參與插層反應。電化學測試表明，該體系在高倍率條件下仍保持較好的容量輸出。例如，在10 A g-1（約67C，其中1C = 150 mA g-1）的電流密度下，正極在小于30秒的充電時間內仍可提供約77.4 mAh g-1的可逆容量；在2 A g-1條件下循環500次后容量保持率仍超過70%。

圖1 層狀正極中溶劑嵌入反應示意與電化學性能

為了進一步確認這一反應過程，研究團隊開展了原位結構表征。原位X射線衍射結果顯示，在充電過程中材料會形成具有特征衍射峰的中間結構，并在隨后的放電過程中可逆消失。結構分析和計算模擬表明，這一結構變化與溶劑分子進入層間空間有關，從而形成一種可逆的溶劑插層相。

圖2 原位X射線衍射揭示溶劑插層相的結構

為了進一步理解高倍率條件下的反應動力學，研究團隊利用同步輻射開展了原位超快X射線吸收譜實驗。該實驗采用的超快X射線吸收譜技術結合特制模具，可在約1秒時間尺度內獲得完整吸收譜，從而實時追蹤充放電過程中過渡金屬價態的變化。實驗結果表明，即使在約100C的高倍率條件下，Mn K-edge仍表現出清晰且可逆的變化，說明電池容量主要來源于體相Mn的法拉第氧化還原反應。

圖3 超快原位X射線吸收譜揭示快速氧化還原動力學

此外，研究團隊結合第一性原理計算計算，對溶劑分子嵌入層狀結構后的離子遷移行為進行了分析。計算結果表明，溶劑分子進入層間空間后能夠調節層間結構環境，并降低Na+遷移的能量，從而有利于提升離子擴散動力學。這一理論結果與實驗觀測結果相一致，為理解溶劑參與插層反應的動力學機制提供了重要的理論依據。

圖4 理論計算揭示溶劑嵌入對離子遷移動力學的影響

該研究表明，在層狀氧化物正極中，電解液溶劑在特定條件下可以參與可逆電化學嵌入/脫出過程，這為理解高倍率條件下的電極反應機制提供了新的視角，也為通過電極材料與電解液協同設計提升鈉離子電池快充性能提供了新的研究思路。

該論文第一作者為香港城市大學王星宇博士，范淇科研助理，王蔚博士和梁雄毅博士。論文通訊作者為香港城市大學劉奇教授、曾曉成教授和任洋教授。該研究由香港城市大學研究團隊完成。本研究得到了深圳市科技計劃項目、香港研究資助局等項目的支持。

劉奇教授是速方新能源創始人和香港城市大學終身教授，曾在美國阿貢國家實驗室從事科研工作，并參與過華為消費電池正極材料研發項目，在鋰離子電池領域擁有逾十年的深厚研究積累。在技術層面，速方新能源已成功突破富鋰錳基正極材料長期存在的電壓衰減瓶頸，實現了材料性能的重要提升。目前，速方新能源百噸級生產線已正式投產，所研制的高壓純用富鋰錳基正極材料樣品已陸續送抵多家頭部電池企業進行測試驗證。與此同時，速方新能源還同步開發了富鋰錳基正極補鋰劑產品，計劃率先在中低壓混合摻用場景中推動商業化應用，進一步拓展其材料體系的市場覆蓋。

曾曉成教授長期致力于物理化學領域分子及表界面物質結構的理論研究。他在表界面水科學、極端條件物理化學及團簇科學等領域做出了開創性的學術貢獻。曾曉成教授已發表SCI論文750余篇，其中包括Nature、Science共計7篇（含純理論2篇），以（共同）通訊作者在綜合及學科頂級期刊發表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。曾曉成教授是歐洲科學院化學部外籍院士，美國物理學會/材料研究學會/科學促進會會士、英國皇家化學會會士。曾曉成教授還榮獲美國古根海姆 (Guggenheim)獎，英國皇家化學會表界面獎（所有獲獎者中唯一非歐洲學者), 美國化學學會中西部獎（1944年頒發以來首位華人獲獎者）等國際獎項和榮譽。曾曉成教授現任香港城市大學材料科學及工程學系系主任。在2025年US NEWS學科排名中，香港城市大學材料科學（Materials Science）學科排名世界 No.5。(https://www.usnews.com/education/best-global-universities/materials-science）

香港城市大學（城大）物理學系系主任、講座教授任洋教授榮膺本年度美國物理學會會士。美國物理學會贊揚任教授為研發高能同步輻射X射線儀器的先軀，促進其在材料物理領域的變革性應用，為材料結構-性能關系提供前所未有的洞見。任教授同時為城大材料科學及工程學系講座教授，并領導賽馬會「能源與材料物理」創科實驗室，利用尖端科學設備專門研究綠色能源和技術創新相關材料的基礎和應用。加入城大前，他曾擔任美國阿貢國家實驗室的高級物理學家，及先進光源中心的首席光束線科學家。任教授的研究專長為同步輻射X射線實驗裝置的研發與應用，及能源與材料物理。任教授于2020至2025年獲史丹福大學列為「全球排名首2%科學家」（終身及年度科學影響力排行榜），并于2022及2023年被科睿唯安引選為「最廣獲征引研究人員」。他曾獲中華人民共和國香港特別行政區政府頒發「全球創科學人」名銜，以及美國阿貢國家實驗室的優良服務獎章。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

近期學術會議推薦

歡迎留言，分享觀點。點亮?