具有活性氧氧化还原作用的层状氧化物因其高容量成为钠离子电池（SIBs）中极具竞争力的正极材料，但由于晶格氧释放、界面副反应及结构重构，导致其容量和电压快速衰减以及反应动力学迟缓。
2024年11月16日，山东理工大学周晋教授/周朋飞副教授、南开大学程方益教授团队合作在Advanced Materials期刊发表题为“Improving Oxygen-Redox-Active Layered Oxide Cathodes for Sodium-Ion Batteries Through Crystal Facet Modulation and Fluorinated Interfacial Engineering”的研究论文，山东理工大学Sun Yiran为论文第一作者，周朋飞副教授、周晋教授、程方益教授为论文共同通讯作者。
该研究提出了一种晶面调控与氟化界面工程相结合的协同策略，以实现Na₀.₆₇Li₀.₂₄Mn₀.₇₆O₂（NLMO{010}）正极材料的高容量、优异倍率性能和长循环寿命。合成的单晶NLMO{010}通过增加{010}活性晶面的暴露，展现出更快的阴离子氧化还原动力学，实现了高容量（272.4 mAh g⁻¹，电流密度为10 mA g⁻¹）、优异的能量密度（713.9 Wh kg⁻¹）和倍率性能（116.4 mAh g⁻¹，电流密度为1 A g⁻¹）。此外，通过引入N-氟苯磺酰亚胺（NFBS）作为电解质添加剂，NLMO{010}正极在500 mA g⁻¹下循环400次后容量保持率达到84.6%，每循环电压衰减仅为0.27 mV。结合原位分析与理论计算表明，NFBS具有双重功能：一方面，在NLMO{010}正极和硬碳负极表面形成薄而稳定的氟化界面层；另一方面，捕获高度活性的氧物种。该研究结果强调了快速离子传输晶面调控和氟化电解质配方对于提升高能量密度钠离子电池中氧化还原活性正极材料的重要性。
DOI：10.1002/adma.202410575
该研究提出了一种晶面调控与氟化界面工程相结合的协同策略，以增强氧化还原活性（ORA）正极材料的结构稳定性并促进钠离子迁移。通过经济高效的熔盐法，成功合成了具有更多{010}活性晶面暴露的单晶Na₀.₆₇Li₀.₂₄Mn₀.₇₆O₂正极（简称NLMO{010}）。这种富含{010}活性晶面的NLMO{010}正极材料具有开放的结构和离子迁移通道，从而显著加快了阴离子氧化还原动力学。NLMO{010}正极表现出优异的电化学性能，包括在10 mA g⁻¹下的高比容量（272.4 mAh g⁻¹）和在1 A g⁻¹下的高倍率性能（116.4 mAh g⁻¹）。此外，引入含─F-N─基团的路易斯酸N-氟苯磺酰亚胺（NFBS）作为双功能电解质添加剂，有助于生成富氟界面薄膜，并捕获高度活性的氧物种，使NLMO{010}正极在1.5–4.5 V电压范围内以500 mA g⁻¹电流密度循环400次后，容量保持率仍能达到创纪录的84.6%。通过实验分析和理论计算，揭示了含NFBS的NLMO{010}正极的钠存储机制。组装的NLMO{010}//硬碳全电池展现了300.6 Wh kg⁻¹的高能量密度和1036.4 W kg⁻¹的功率密度，并在300次循环后容量保持率达87.15%。该研究结果进一步验证了晶面调控和氟化界面在增强阴离子氧化还原反应可逆性方面的有效性，为制备高性能钠离子电池正极材料提供了一种高成本效益的解决方案。
总之，该研究开发了一种通过晶面调控与氟化界面处理相结合的界面工程策略。晶面调控增加了{010}活性表面的暴露面积，从而缩短了Na⁺的扩散路径并提升了钠离子传输动力学，使NLMO正极的能量密度从580.6 Wh kg⁻¹提高到713.9 Wh kg⁻¹。此外，氟化界面工程有效防止晶面滑移和微裂纹的形成，生成了一种薄且坚固的CEI膜，有效抑制了氧释放和晶格结构坍塌。氟化界面工程显著提升了钠存储性能，在500 mA g⁻¹电流密度下循环400次后容量保持率达到85.4%。实验和DFT计算证实了阴离子氧化还原反应的可逆性得到显著改善。更重要的是，NLMO{010}//HC全电池展现了高达300.6 Wh kg⁻¹的能量密度、1036.4 W kg⁻¹的功率密度，并在500 mA g⁻¹下循环300次后仍能保持87.15%的容量。晶面调控与氟化界面工程的协同作用为设计先进的钠离子电池正极材料开辟了一条有前景的途径。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
