由于锂资源在全球分布不均、储量有限，所以开发低成本、可持续的能源存储设备是十分必要的。其中钠离子电池因为具有与锂离子电池具有相似的化学性质、储量丰富、可使用价格更低的集流体等优势成为最有竞争力的补充锂离子电池的技术之一。在众多钠离子电池正极材料中，层状氧化物正极因其比容量高、易于制备、优异的离子导电率等优点被广泛研究。然而充放电过程中复杂且不可逆的相转变导致的容量衰减，严重影响了层状氧化物正极实际应用。此外，较差的空气稳定性也提高了制备和运输的成本，限制了其大规模生产。
碳中和研究院肖遥团队自2021年7月与侴术雷教授一起加入澳门新葡平台网址8883一直致力于解决钠离子电池的关键科学问题。在侴术雷教授的悉心指导和碳中和研究院平台的支持下，钠离子电池层状氧化物正极的基础研究与产业化应用取得了重要进展。不仅设计了一系列尖晶石和层状P2/P3复合异质结构，通过化学元素取代策略实现了可控的多相动态结构演化的精准调控（Cell Rep. Phy. Sci. 2021, 2,100547），而且借助应变工程策略促进三相异质共生结构层状氧化物正极材料的相转变，进一步提高了电化学性能（Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2201511）。同时，通过设计化学成分和调控相应的电子结构，从而精确操控了过渡金属和氧原子之间轨道杂化以调节氧化还原电位，成功构建了一种反常高电压O3型层状氧化物正极材料（Cell Rep. Phy. Sci. 2021, 2, 100631）。在此基础上，通过局域化学与能级轨道杂化调控定制化构筑了P2/O3异质结构层状氧化物正极材料用于高倍率长循环性能钠离子电池（Adv. Mater. 2022, 34, 2202695）。此外，通过设计具有不同比例的层状正极材料去揭示晶面方向暴露比例对结构衰减的影响，为层状氧化物材料的晶面结构设计提供了理论基础（Carbon Energy 2022, 1-12. DOI:10.1002/cey2.298）。同时，系统总结了表界面化学工程用于钠离子电池层状氧化物体系的研究进展，并提出了表面残钠转化同时实现体相梯度渗透掺杂的新概念（Carbon Neutralization 2022, 1, 96-116）。更进一步，总结了尖晶石/后尖晶石工程用于氧化物体系的研究进展，尤其聚焦在后尖晶石结构、层状氧化物集成尖晶石结构以及尖晶石相转变过程，为高性能钠离子电池的设计提供指导。值得一提的是，此综述自2021年12月上线以来，引用次数已经高达82次（eScience, 2021, 1, 13-27）。
在上述研究工作的基础上，Fd-3m尖晶石相具有提高电子迁移率、良好的空气稳定性以及结构稳定性的优点。因此，鉴于其优异的结构稳定性和快速电子传输能力，如何能够借助于尖晶石结构对层状氧化物正极材料实现界面的精准合理调控，以及研究其对材料空气稳定性，动力学传输和电化学性能提高的内在作用机制具有重大意义。
图1. 基于原位尖晶石界面重构的表面晶格匹配工程示意图。
澳门新葡平台网址8883肖遥教授团队联合伍伦贡大学王佳兆教授团队提出基于原位尖晶石界面重构的表面晶格匹配工程的概念，并实现尖晶石结构对P2/P3异质结构的层状氧化物正极材料精准界面调控。实验证明尖晶石界面可以赋予层状氧化物有效的保护层，减少活性物质与水以及空气的直接接触，提高空气稳定性。此外，尖晶石相不仅具有界面封锁效应，保持结构的完整性，还可以提供快速的电子传递途径，提高材料倍率性能。
图2. 基于原位尖晶石界面重构正极材料的晶体结构动态演化
该成果以“Surface Lattice-Matched Engineering Based on In situ Spinel Interfacial Reconstruction for Stable Heterostructured Sodium Layered Oxide Cathodes”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials上。澳门新葡平台网址8883为第一通讯单位，澳大利亚伍伦贡大学博士研究生李佳阳为第一作者，我院博士研究生胡海燕为共同第一作者。我院侴术雷/肖遥/朱燕芳与澳大利亚伍伦贡大学王佳兆为共同通讯作者。感谢国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、温州市科技局项目、教育部产学合作项目、澳门新葡平台网址8883启动基金、西安交通大学开放基金、南开大学开放基金与中国留学基金委的大力支持。
原文链接：https://onlinelibrary-wiley-com-s.webvpn.wzu.edu.cn/doi/abs/10.1002/adfm.202213215
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