日本科学家突破铜掺杂技术：钠离子电池稳定性和寿命获得重大提升

抖音热门 2025年07月17日 22:30 1 admin

东京理科大学的研究团队在钠离子电池技术领域取得重要突破，通过铜掺杂技术成功解决了困扰该领域的关键技术难题，为开发稳定、高性能、长寿命的钠离子电池开辟了新途径。这项发表在《先进材料》杂志上的研究成果，有望推动钠离子电池在智能手机、电动汽车和电网储能等领域的广泛应用。

β-NaMnO2中的堆积断层严重降低了其在充电过程中的容量

钠离子电池近年来作为锂离子电池的成本效益和可持续替代方案备受关注。钠作为地球上第六丰富的元素，相比锂离子电池具有更低的材料成本和更大的可获得性。然而，钠离子电池的商业化应用一直面临着电池寿命和稳定性的技术挑战，特别是在正极材料的设计方面。

东京理科大学应用化学系的驹场慎一教授领导的研究团队专注于层状钠锰氧化物的研究。该材料存在两种晶体形式：α-NaMnO2和β-NaMnO2。其中，β-NaMnO2因其独特的波纹状或锯齿状层结构而引起研究人员的广泛关注，但其合成过程通常需要较高温度，往往导致钠缺陷相的产生。

堆垛层错的技术难题

在β-NaMnO2的合成过程中，为了防止钠缺陷相的产生，通常会产生具有多种缺陷的非平衡β相。其中最显著的是堆垛层错，这是由晶体学b-c平面的滑移形成的，产生类似α相的堆垛序列。含有堆垛层错的β-NaMnO2电极在充放电循环过程中容量严重衰减，限制了其实际应用。

驹场教授解释说："在之前的研究中，我们发现在金属掺杂剂中，铜是唯一能够成功稳定β-NaMnO2的掺杂剂。在这项研究中，我们系统地探索了铜掺杂如何抑制堆垛层错并改善钠离子电池中β-NaMnO2电极的电化学性能。"

研究团队合成了一系列高度结晶的铜掺杂β-NaMnO2样品，铜掺杂量从0%到15%不等。通过X射线衍射研究，团队发现在铜掺杂样品中，5%铜掺杂的样品显示出最高的堆垛层错浓度为4.4%，而12%铜掺杂的样品中堆垛层错浓度仅为0.3%，表明随着铜掺杂量的增加，堆垛层错得到了明显抑制。

性能提升的显著效果

电化学评估结果显示，铜掺杂样品的容量保持能力显著增强。未掺杂的样品在30次循环内就出现了快速的容量损失，而无堆垛层错的12%和15%铜掺杂样品表现出优异的循环稳定性，其中12%铜掺杂样品在超过150次循环中没有出现容量损失。

这些结果表明，当消除堆垛层错时，层状NaMnO2的β相本质上是稳定的。更重要的是，无堆垛层错的结构使研究人员能够检查在钠插入和提取过程中发生的复杂相变。

通过结合原位和非原位X射线衍射测量以及密度泛函理论计算，研究人员提出了一个涉及波纹状MnO2层剧烈滑动的新结构模型。这种滑动似乎是β相独有的，以前被堆垛层错的存在所掩盖，这标志着在理解β相NaMnO2在电极反应过程中特征结构变化方面取得了重大进展。

产业化前景与社会意义

这项研究的意义远超学术范畴。驹场教授指出："我们的发现证实了锰基氧化物是开发高耐用性钠离子电池的有前景且可持续的解决方案。由于锰和钠的成本相对较低，这项研究将为各种应用领域带来更实惠的储能解决方案，包括智能手机和电动汽车，最终实现更可持续的未来。"

这项研究还表明，使用铜掺杂稳定堆垛层错的技术可以解决锂等金属供应链常见的脆弱性问题。在全球锂资源日益紧张的背景下，钠离子电池技术的突破具有重要的战略意义。

该技术在电网储能、电动汽车和消费电子产品等领域具有广泛的应用潜力。特别是在大规模储能系统中，钠离子电池的成本优势和资源丰富性使其成为理想的选择。随着可再生能源发电比例的不断提高，高效、经济的储能技术需求日益迫切。

此外，这项研究为开发更稳定、更持久的钠离子电池提供了宝贵见解，有助于推动可再生能源的广泛采用，符合联合国可持续发展目标7：经济适用的清洁能源。

技术发展的未来方向

虽然这项研究取得了重要突破，但钠离子电池技术的产业化仍面临诸多挑战。除了正极材料的优化外，负极材料、电解质和电池组装工艺等方面的技术完善同样重要。

研究团队的下一步工作将集中在进一步优化铜掺杂比例，探索其他潜在的掺杂元素，以及开发适用于工业化生产的合成工艺。同时，他们还计划深入研究钠离子在改进材料中的传输机制，为电池性能的进一步提升提供理论指导。

这项研究成果不仅为钠离子电池技术的发展提供了重要推动力，也为全球能源转型和可持续发展做出了贡献。随着技术的不断成熟和产业化进程的加速，钠离子电池有望在未来的能源存储市场中发挥重要作用。

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