William威廉亚洲官网化材学院谭歆/侴术雷教授在国际顶级期刊J. Am. Chem. Soc.上发表学术论文

  钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉，被认为是大规模储能的理想选择。层状钠锰氧化物（NaₓMnO₂）正极材料凭借低成本和高工作电压备受关注。然而，该材料在电化学循环过程中面临不可逆相变和Mn溶解等严重问题，根源在于Mn³⁺的Jahn-Teller畸变。特别是，钠脱出过程常常诱发不可逆的层状-尖晶石相变，导致容量快速衰减。与传统“抑制无序”的思路不同，近期研究发现，在层状NaₓMnO₂中有意引入层间无序反而能增强结构稳定性和电化学可逆性。钠水锰矿（NaₓMnO₂·yH₂O，简称Na-bir）便是典型代表——其层间由Na⁺和H₂O分子撑开约7 Å的层间距，可实现接近理论容量的可逆层状-尖晶石相变。但令人困惑的是，传统密度泛函理论（DFT）计算（电荷中性模型，CNM）却预测尖晶石相热力学不稳定、相变能垒高达1.5 eV以上，与实验观察到的易发生的和可逆的相变完全矛盾。根源在于CNM将体系视为电中性，完全忽略了工作电位（U）驱动下的电荷效应。

  近日，温州大学谭歆/侴术雷团队与中国科学技术大学张文华、澳大利亚昆士兰科技大学寇良志等合作，基于其自主发展的电荷依赖模型（CDM）（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202512830），首次明确将电位驱动的电荷效应纳入计算框架，实现了对金属离子电池层状氧化物正极材料在真实工作条件下的精准模拟。研究表明，CDM揭示出与CNM定性不同的热力学和动力学图景：在高脱钠态和高电位下，尖晶石相不仅热力学稳定，且Mn迁移能垒从CNM预测的1.45 eV骤降至0.19 eV。这一发现完美解释了实验观测到的可逆相变，破解了该领域长期存在的理论-实验矛盾。

  该研究以“Origin of Reversible Interlayer-Disorder-Induced Phase Transitionsin Layered Sodium Manganese Oxide Cathodes”为题发表在国际顶级期刊J. Am. Chem. Soc.。温州大学为第一单位。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c06339。

作者：谭歆/侴术雷教授团队

一审：李佳函

二审：温正灿

三审：雷云祥