中南大學的研究人員近日開發出一種能抵抗空氣損傷的鈉離子電池正極，這一創新解決了長期以來限制該技術實際應用的關鍵缺陷。鈉離子電池被視為大規模儲能的低成本替代方案，但其對空氣的敏感性始終是個難題。暴露於濕氣和二氧化碳會引發副反應，導致正極劣化，阻礙離子運動並降低性能。這種不穩定性使得鈉離子電池在受控環境之外的儲存和使用變得困難。因此，儘管其成本優勢明顯，但在與更成熟的電池技術競爭中仍顯得力不從心。
這項新研究通過在結構層面重新設計正極來應對上述問題。研究團隊選擇不再使用均勻的材料，而是引入一種從表面到核心的徑向梯度，改變組成和性能。為了創造這一結構，研究人員首先合成了具有不同化學組成的核殼前驅體。在高溫處理過程中，這些層逐漸融合，形成連續的梯度，而非明顯的界面。最終材料具有混合相的外層和更穩定的內核。外層提高了過渡金屬的氧化態，幫助抑制與水和二氧化碳的反應，並作為環境損傷的保護屏障。
同時，內部結構保持強大的鈉儲存能力，確保性能不因穩定性而妥協。這種雙功能設計使得正極能在抵抗劣化的同時高效運行。電化學測試顯示，耐久性有了顯著提升。在經過 200 次充放電循環後，改進的正極保留了約 80% 的容量，而傳統版本在類似條件下僅保留約 21%。
這種材料在現實條件下也顯示出強大的抵抗力。即使在潮濕的空氣中暴露 10 小時，含有二氧化碳的環境下，它仍保持了每克 103.8 毫安時的首次循環容量。在這些條件下，容量損失大幅下降，從標準材料的 50% 以上降至改進版本的僅 12% 多。這標誌著環境穩定性有了實質性的改善。
梯度結構還改善了鈉離子在正極內部的運動方式。更快的離子傳輸減少了運行期間的能量損失，提升了充放電過程中的整體效率。研究人員指出，該設計的優勢在於將多種穩定機制整合到單一架構中。通過控制材料的組成、晶體結構和電子狀態，正極在重複循環過程中保持穩定，同時抵抗外部劣化。
這一方法的應用不僅限於鈉離子電池。類似的基於梯度的設計可能有助於提高其他能源儲存系統的耐久性，尤其是在成本和長期穩定性都至關重要的情況下。由於鈉資源豐富且價格低廉，這些進展可能加速鈉離子電池在電網儲存、可再生能源整合和備用電源應用中的部署。克服空氣不穩定性消除了擴大該技術在實際應用中的一個主要障礙。這項研究發表於《碳能源》期刊。
