第一作者：邱文豪

通讯作者：陈子威*，张庆华*

单位：浙江大学

使用设备：元能科技SPFT单颗粒力学性能测试系统

01 研究背景

钠离子电池因其工作机制与锂离子电池相似、成本较低且钠资源丰富，具备成为下一代电池的巨大潜力 。典型的P2型 Na0.67Ni0.33Mn0.67O2 正极材料易于合成，且能在高压条件下达到较高的比容量。然而，当电压超过 4.0 V 时，该材料会发生不可逆的 P2-OP4/O2 相变，导致显著的体积变化和结构坍塌 。此外，高压下非键合氧的生成会引起严重的阳离子迁移和晶格畸变 。相对而言，O3 型材料通常在高压区更为稳定，但由于通常具有较高的钠含量以及较窄的扩散通道，其倍率性能和空气稳定性存在不足 。因此，如何平衡这些层状氧化物的稳定性、容量和倍率性能，是目前亟待解决的关键难题 。

02 工作简介

近日，浙江大学的张庆华和陈子威团队提出了一种全新策略 。该研究通过热扩散调节与高熵策略的协同作用，诱发了 Cu元素的不均匀扩散以及 Na的不均匀分布，从而成功构建了P2/O3混相材料 Na0.67Ni0.3Fe0.1Mn0.3Cu0.1Ti0.2O2 (NFMCT)。混相的互锁效应结合高熵的综合作用，有效抑制了高电压区域的不可逆相变和阴离子氧化还原行为，显著提升了材料的稳定性 。该策略为设计具备优异综合性能的层状氧化物材料提供了新思路。 相关研究成果以“ Synergistic inducting P2/O3 mixed phase by thermal diffusion regulation  and high-entropy strategy for high performance layered cathode”为题发表于化工领域权威期刊Chemical Engineering Journal上。浙江大学邱文豪为本文第一作者，浙江大学陈子威特聘副研究员及张庆华教授为共同通讯作者。

图1. 利用煅烧时间调控高熵元素不均匀分布诱导P2/O3混合相材料

03 本文要点

1、基于热力学调节的 P2/O3 混相诱导机制

研究发现，在 900 ℃ 的多元素体系中，由于 Cu 元素的原子半径最大且扩散最不充分，导致了 Cu 的不均匀分布（偏析）。为了维持价态平衡，更多的 Na+ 倾向于储存在富 Cu 区域，从而诱导形成了局部的富钠 O3 相 。通过调节热扩散程度（如 15 小时的最佳保温时间），可有效控制混相比例（O3:P2 约等于 80:20），证实了通过热扩散调节和高熵效应获取贫钠混相材料是完全可行的 。

图2. 煅烧时间协同高熵元素分布调控诱导混合相探究

2、结构稳定与相变抑制（互锁效应与高熵效应）

原位 XRD 表征显示，混相的互锁效应有效抑制了高压下剧烈的 P2-O2 相变 。在充放电过程中，NFMCT 经历的是高度可逆且相对温和的 P2/O3-P2/P3-OP4/OP2 相变，大大减少了对晶格的不可逆影响 。理论计算（DOS）和实验（原位质谱、拉曼等）表明，Ti 和 Cu 元素的引入有效提升了 Ni-O 键的结合能，高熵构型增强了对氧的束缚，从而抑制了高压下的氧流失及阴离子氧化还原活性 。

3、卓越的电化学容量与倍率性能

得益于高熵导致的优势晶面暴露以及独特的形貌（侧面分布着条状支撑结构），该材料获得了更广阔的钠离子扩散通道 。在 2.0-4.3 V 电压范围内，NFMCT 在 0.2C 下展现出 152.3 mAh g-1 的高比容量 。在 5C 的高倍率下循环 200 次后，其容量保持率高达 89.1%；在 2.0-4.0 V、10C 超高倍率下循环 1000 次后，容量保持率依然达到 82.0%，完美克服了传统 O3 相材料倍率低下的问题 。

图3. 电化学性能测试

4、全电池应用、空气稳定性与机械力学性能

以 NFMCT 为正极、硬碳为负极组装的全电池，在 5C 快充条件下循环 50 次后，容量保持率达 93.1%，展现出良好的实际应用前景 。材料在空气中（50%相对湿度）暴露 15 天后，依然维持清晰的 P2/O3 结构，低钠特性有效防止了碳酸钠的生成，电化学性能几乎无衰减 。单颗粒抗压测试（使用元能科技SPFT单颗粒力学性能测试系统）表明，独特的形貌和混相的互锁作用赋予了材料多阶段破碎特征，增强了机械结合能，防止了材料在应力下直接发生结构崩溃。

图4. 综合性能测试

04 结论

本研究巧妙地利用多元素高熵体系中 Cu 元素的热扩散动力学差异，诱导钠离子重新分布，成功制备了具有高性能的 P2/O3 混相正极。这种策略不仅抑制了有害相变，还兼顾了高电压下的氧稳定性与机械强度。该工作为开发低成本、长寿命、快充型钠离子电池提供了重要的设计准则。

05 致谢

本研究巧妙地利用多元素高熵体系中 Cu 元素的热扩散动力学差异，诱导钠离子重新分布，成功制备了具有高性能的 P2/O3 混相正极。这种策略不仅抑制了有害相变，还兼顾了高电压下的氧稳定性与机械强度。该工作为开发低成本、长寿命、快充型钠离子电池提供了重要的设计准则。

06 文献详情

Wenhao Qiu , Mingjie Dong, Ziyi Zhan, Wenhai Ji, Ping Miao, Wujun Peng, Wei Xu, Xinxin Teng, Kejun Zhang, Ziwei Chen*, Qinghua Zhang*, Synergistic inducting P2/O3 mixed phase by thermal diffusion regulation and high-entropy strategy for high performance layered cathode, Chemical Engineering Journal, 2026, 534, 175314.

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