锂离子电池已经成功并广泛应用与手机、电脑和电动车上。大规模的电动车动力电池和储能电池应用需要资源丰富和成本低的原料，钠比锂的储量在地球更丰富因而成本更低，因此发展高容量高稳定钠离子电池是当前能源科技研发的前沿。钠离子层状氧化物正极材料以其优越的离子电导率、高比容量和更廉价的原料成本正在成为锂离子正极材料的有力替代者。然而，由于钠离子的半径大其层状插层材料在电化学循环过程中，容易受到因过渡金属层相对滑动引起的不可逆相变，导致该类正极材料始终存在循环稳定性欠佳的问题。北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋课题组与中科院化学所郭玉国课题组合作，运用材料基因组学的共同设计并合成了基于过渡金属d-轨道构成“无机类苯环”功能结构基元的具有超高稳定性的新型钠离子电池正极材料NaNi_2/3Sb_1/3O₂，该成果以“An Ordered Ni6-Ring Superstructure Enables a Highly Stable Sodium Oxide Cathode”为题于近日发表在新材料领域知名期刊Advanced Materials (doi.org/10.1002/adma.201903483，IF="25.809)上。


NaNi_2/3Sb_1/3O₂正极材料的“类苯环”结构基元及其中的Ni-O-Ni超交换作用
新材料学院潘锋团队在新材料的设计阶段时发现，这种具有高稳定性的钠电池材料的结构是由一种六边形的结构基元构成的。这种六边形的结构基元是以一个SbO₆八面体为中心，周边排布六个NiO₆八面体，且六个Ni离子排布成以Sb离子为中心的六边形结构。研究者通过结构化学和量子化学计算发现，Ni-O-Ni 结构形成的90度超交换作用在晶体结构中连接起来，形成一个由过渡金属d-轨道构成“无机类苯环芳香性”结构，由此给这种Na 电池材料提供了额外的稳定性。此外，该电池在充放电过程中的相变结构也被计算准确找到，为此类材料的相变和稳定性提供了理论基础。
能够发现并设计该种材料并非偶然，此前潘锋教授团队在研究锰酸镍锂（LiNi_0.5Mn_0.5O₂）材料中率先提出锂电池层状材料存在“无机类苯环芳香性”结构基元(J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 9893-9898)。该研究从剖析结构基元的方式发现了电子交换作用和电子离域/局域化在过渡金属排序现象起到的关键作用，基于过渡金属自旋电子交换作用和电子局域/离域模型，发现了六个锰离子形成的六元环通过Mn⁴⁺直接交换形成的离域基团具有“无机类苯环”芳香性。这些研究为进一步设计和开发高性能的储能与动力电池材料提供结构化学的基础。
该两项研究成果由潘锋指导，由博士生翁谋毅和胡宗祥分别完成。该系列工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室、深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。