近期，上海交通大学黄富强教授团队联合中国科学院上海硅酸盐研究所、中国原子能科学研究院等单位，在钠离子电池正极材料研究领域取得重要进展。相关成果发表于国际化学领域顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。
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钠离子电池的正极之争
当前主流电池体系中，正极材料是决定能量密度与循环寿命的核心。锂离子电池凭借高能量密度主导了消费电子与电动汽车市场，但随着储能需求向电网侧大规模延伸，锂资源的地域集中性与价格波动成为不可忽视的制约因素。
钠离子电池以地壳中储量丰富、分布广泛的钠元素为载流子，材料成本具备结构性优势，近年来受到国内外储能产业的高度关注。目前，钠离子电池正极材料主要涵盖层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物与普鲁士蓝类化合物三大体系。其中，P型锰基层状氧化物（NaₓMnO₂，通常0.5 ＜ x ＜ 0.8）因锰资源丰富、理论比容量高、相变行为相对温和，被业界认为是具产业化潜力的正极候选材料。
在P型结构中，P′2相又格外引人注目——在相同电压区间内，P′2型材料的实测容量普遍高于P2型同类材料，但这一容量优势的储能机制，此前从未被系统阐明。
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材料晶格里的“容量密码”
材料能输出多少容量、充放电有多流畅，很大程度上取决于有多少钠离子处于第一类活跃位置。研究团队通过第一性原理计算证实：P′2结构天然倾向于让更多钠离子占据低阻力的第一类位点，这正是其容量更高的根本原因。
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一次“急速冷却”改变材料命运
找到原因，下一步是如何“人为放大”这种优势。
研究团队从金属加工中常见的“淬火”工艺中获得灵感。淬火，是将高温金属迅速浸入冷却介质，让其来不及缓慢转变就被“锁定”在特定结构的一种处理方式。刀剑、轴承、齿轮，许多需要高硬度的金属件都经历过这道工序。
团队将这一思路引入电池材料制备：将合成好的正极材料从900℃高温迅速投入铜板急冷，代替传统的自然降温。
变温X射线衍射数据结果证明：这一“急速冷却”操作有效地把高温下形成的P′2结构及其有利的钠离子分布“冻结”住。多种先进表征手段交叉验证表明：急冷处理使“共棱”与“共面”钠离子之比从常规材料的约1.0大幅提升至2.1。这意味着材料中有更多钠离子处于“随时待命”的活跃状态，可直接贡献容量。
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容量提升46.2%+350次循环保持96.9%
锰基正极材料有一个“通病”：随着充放电次数增加，材料内部会逐渐产生结构错乱，导致容量快速衰减。对此，团队引入第二重策略——在材料内部加入少量钛和铁元素进行共掺杂。这两种元素在充放电过程中不参与化学反应，却能像两根“稳定柱”般有效抑制材料内部结构紊乱，进而延长使用寿命。
两重策略叠加，效果可量化：最终制备的P′2-Na₀.₆₇Ti₀.₁Fe₀.₀₅Mn₀.₈₅O₂材料，在初始容量上比自然冷却样品提升约46%（190.3 mAh·g⁻¹对比130.2 mAh·g⁻¹），在高倍率（5C）下连续充放电350次后，容量保持率仍达96.9%，平均充放电效率达99.6%。钠离子在材料中的扩散速率较自然冷却样品提升约35倍，充放电阻抗减少约46%。
原位X射线衍射进一步确认，整个充放电过程的相变可逆，不伴随有害气体释放，结构稳定性显著。
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钠电产业突围更需正极能量密度支撑
正极材料的比容量，是决定能量密度上限最直接的材料变量。目前商业化P2型锰基正极实测容量通常在130~160 mAh·g⁻¹之间。本研究在同等电压窗口下实现190.3 mAh·g⁻¹，若这一水平能在工程化制备中保持，将对钠电池整体能量密度形成实质性拉升，直接影响钠电池与磷酸铁锂等技术的市场竞争关系，改善其在电网储能等高价值场景中与磷酸铁锂的竞争格局。
另一方面，淬火工艺在工业上并不陌生，相较于引入稀贵元素或复杂表面处理，规模化兼容性较好，这也使该研究具备现实工程转化的可行性。
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荒漠、极地、海上：无人值守的储能装置，需要什么样的正极材料
极端环境对储能材料性能的要求远比实验室测试严苛。例如：荒漠光储电站须在高温与昼夜大温差中持续服役数年；极地科考能源站要在深度低温下保持稳定输出；海上无人装备则须在高湿、高压下长期运行。这些场景有一个共同特征：储能系统一旦部署，无法频繁维护，每一次充放电的可靠性都直接关系到任务连续性。
在此背景下，正极材料的循环寿命与动力学稳定性更具重要意义。本研究中，96.9%的350次循环保持率与99.6%的库仑效率，以及约35倍的钠离子扩散动力学提升，切中了极端场景对储能材料“充得进、放得出、用得久”的核心需求。研究所揭示的钠离子位点调控机制，为在极端条件下设计兼具高能量密度与长寿命的储能材料，提供了明确的理论依据与可复制的工程参照路径。
从理解材料中钠离子“更愿意停在哪里”，到提出可操作的工程调控方案，再到为极端环境储能应用开辟新路径，一步步推进背后，是基础研究与应用需求持续不断的对话。
让储能系统在任何环境下都能可靠工作，是能源技术进步的重要方向。这项研究朝着这个方向迈出了扎实一步。
本研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划及上海市科委等多项资助。
