层状氧化物正极中的可逆溶剂嵌入行为。 近日，香港城市大学研究团队在钠离子电池正极反应机制研究方面取得新进展。研究发现，在特定电解液体系中，电解液溶剂分子可以进入层状氧化物正极的层间，并在充放电过程中发生可逆嵌入与脱出，从而加速电极反应。
2026年3月6日，相关成果以Solvent intercalation in layered cathodes for ultrafast sodium-ion batteries为题发表于Nature Energy期刊。该论文第一作者为香港城市大学王星宇博士，范淇科研助理，王蔚博士和梁雄毅博士。论文通讯作者为香港城市大学刘奇教授、曾晓成讲座教授和任洋讲座教授。
层状过渡金属氧化物是钠离子电池的重要正极材料之一，其储能过程通常依赖于Na+在层间的嵌入与脱嵌。然而，在高倍率充放电条件下，Na+在固相中的迁移往往伴随正极材料的晶格畸变、层间滑移等结构变化，从而限制离子扩散动力学。因此，在保持结构稳定的同时提升离子迁移速率，是层状正极材料实现快速充电的重要研究问题。
在该研究中，研究人员以P’2型Na0.67MnO2为模型正极，对比研究了不同电解液体系中的电化学行为。实验结果表明，当采用二乙二醇二甲醚基电解液（1.0 M NaPF6 in diglyme）时，在高电压区间会出现新的电化学反应过程，表明溶剂分子可能参与插层反应。电化学测试表明，该体系在高倍率条件下仍保持较好的容量输出。例如，在10 A g-1（约67C，其中1C = 150 mA g-1）的电流密度下，正极在小于30秒的充电时间内仍可提供约77.4 mAh g-1的可逆容量；在2 A g-1条件下循环500次后容量保持率仍超过70%。
图1：层状正极中溶剂嵌入反应示意与电化学性能。
为了进一步确认这一反应过程，研究团队开展了原位结构表征。原位X射线衍射结果显示，在充电过程中材料会形成具有特征衍射峰的中间结构，并在随后的放电过程中可逆消失。结构分析和计算模拟表明，这一结构变化与溶剂分子进入层间空间有关，从而形成一种可逆的溶剂插层相。
图2：原位X射线衍射揭示溶剂插层相的结构。
为了进一步理解高倍率条件下的反应动力学，研究团队利用同步辐射开展了原位超快X射线吸收谱实验。该实验采用的超快X射线吸收谱技术结合特制模具，可在约1秒时间尺度内获得完整吸收谱，从而实时追踪充放电过程中过渡金属价态的变化。实验结果表明，即使在约100C的高倍率条件下，Mn K-edge仍表现出清晰且可逆的变化，说明电池容量主要来源于体相Mn的法拉第氧化还原反应。
图3：超快原位X射线吸收谱揭示快速氧化还原动力学。
此外，研究团队结合第一性原理计算计算，对溶剂分子嵌入层状结构后的离子迁移行为进行了分析。计算结果表明，溶剂分子进入层间空间后能够调节层间结构环境，并降低Na+迁移的能量，从而有利于提升离子扩散动力学。这一理论结果与实验观测结果相一致，为理解溶剂参与插层反应的动力学机制提供了重要的理论依据。
图4：理论计算揭示溶剂嵌入对离子迁移动力学的影响。
该研究表明，在层状氧化物正极中，电解液溶剂在特定条件下可以参与可逆电化学嵌入/脱出过程，这为理解高倍率条件下的电极反应机制提供了新的视角，也为通过电极材料与电解液协同设计提升钠离子电池快充性能提供了新的研究思路。
该研究由香港城市大学研究团队完成。本研究得到了深圳市科技计划项目、香港研究资助局等项目的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-026-01995-x
作者：曾晓成等 来源：《自然-能源》
