這項研究為開發更穩定、更持久的鈉離子電池提供了寶貴見解，有望推動可再生能源更廣泛的應用。

日本科學家開發的一種新方法不僅提升了鈉離子電池的性能，還延長了其使用壽命。鈉（Na）是地球上第六豐富的元素，相比鋰離子電池，其資源可獲得性更高。

鈉電池被認為是鋰離子電池的一種經濟高效且可持續的替代品，但在某些條件下仍面臨挑戰。

研究人員最近的這項研究探討了正極材料的設計如何在決定電池壽命和穩定性方面發揮關鍵作用。

層狀錳酸鈉（NaMnO2）作為鈉離子電池的正極材料，已受到研究人員越來越多的關注。

錳基氧化物：前景廣闊的解決方案

“我們的研究結果證實，錳基氧化物是開發高耐用性鈉離子電池的一種有前途且可持續的解決方案，”東京科學大學的 Shinichi Komaba 教授表示。

“由于錳和鈉的成本相對較低，這項研究將為包括智能手機和電動汽車在內的多種應用帶來更實惠的儲能解決方案，最終實現更可持續的未來。”

揭示晶體結構差異與挑戰

研究人員揭示，NaMnO2 存在兩種晶體形式：α-NaMnO2 和 β-NaMnO2。

• α相：具有單斜層狀結構。其中，由共享棱邊的扭曲 MnO6 八面體構成的平面狀 MnO2 層交替堆疊，鈉離子位于層間。
• β相：具有波紋狀或鋸齒狀的層，同樣由共享棱邊的扭曲 MnO6 八面體構成，鈉離子也位于層間。根據新聞稿，β-NaMnO2 的合成通常需要更高溫度，但這常常導致缺鈉相的產生。

解決嚴重容量衰減問題

研究人員指出，試圖避免產生缺鈉相的做法會生成非平衡的β相，這些β相會表現出多種缺陷。
其中最顯著的是堆疊缺陷（SFs）。這些缺陷是由晶體 b-c 面滑移形成的，產生的堆疊序列類似于α相。科學家們表示，由含堆疊缺陷（SF）的 β-NaMnO2 制成的電極在充放電循環中會遭受嚴重的容量衰減，限制了其實際應用。此外，堆疊缺陷也使得理解該材料的固態化學性質變得復雜。

銅摻雜：穩定結構的關鍵

“在之前的一項研究中，我們發現，在金屬摻雜劑中，銅（Cu）是唯一能夠成功穩定β-NaMnO2的摻雜劑，”東京科學大學（TUS）應用化學系的 Shinichi Komaba 教授說。

“在這項研究中，我們系統地探索了銅摻雜如何能抑制堆疊缺陷（SF）并提升β-NaMnO2電極在鈉離子電池中的電化學性能。”

顯著成果與應用前景

這項發表在《先進材料》期刊上的研究表明，經過銅摻雜的樣品（NMCO-12）在150次循環后未顯示容量衰減。這表明無堆疊缺陷的β相具有高度可逆性，并且在鈉離子脫嵌過程中能有效抵抗各向異性板片滑移和晶格體積的大幅變化。這些發現凸顯了錳基氧化物對鈉離子電池的重大影響。

這項研究還表明，利用銅摻雜穩定堆疊缺陷（SF），可以解決通常由鋰等金屬帶來的供應鏈脆弱性問題。此外，根據新聞稿，該研究在電網儲能、電動汽車和消費電子產品領域也具有潛在的應用前景。

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