Nature子刊：乙二醇實現O3型層狀氧化物鈉電正極高效低損脫堿！

O3相層狀氧化物因具有穩定的拓撲晶格骨架和可調控潛力，成為高端電池主流正極活性材料之一。然而，其對環境敏感所導致的表面殘堿問題，阻礙了該類材料的大規模應用。水洗作為鋰基正極材料工業化去除表面殘堿的常用方法，在鈉基材料中卻會引發晶格坍塌、活性堿金屬離子大量溶出等嚴重問題。

2026年3月19日，西北工業大學沈超、謝科予在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Deciphering the liquid-solid interactions in dealkalization of O3 layered oxides》的研究論文，張伍玖為論文第一作者，沈超、謝科予為論文共同通訊作者。

本文提出主體固相正極材料與客體液相溶劑間的相互作用機制，闡明了脫堿過程中，材料的結構劣化依賴于分散溶劑的分子構型以及堿金屬–氧鍵共價性。對于水（H3O+），分子自蔓延嵌入鈉層并隨后發生質子化，會誘導鈉離子流失，進而導致晶格失穩。與之相對，高效脫堿劑乙二醇則因尺寸效應的限制，能夠避免材料發生進一步結構劣化。基于正極材料隨時間擴展的劣化規律，本研究建立了適用于液相穩定性評估的分析框架。該工作為O3相層狀氧化物的液相改性工程提供了基礎理論指導。

在高性能二次電池技術快速發展的推動下，清潔能源轉型取得了顯著進展。層狀氧化物因具有開放的二維擴散通道，已成為高功率、高比能二次電池的重要正極活性材料（PEAM）。O3相過渡金屬氧化物（TMO）已成為先進鋰離子電池中具有商業化前景的正極材料。相較于鋰資源儲量有限且地理分布不均，鈉基電池的持續發展推動了不受地域差異限制的清潔能源技術進步。

然而，O3相材料的規模化應用受限于苛刻的堿性合成條件與不穩定的骨架結構。由此產生的表面殘堿（SRA）及其引發的全生命周期問題，已成為其大規模應用的桎梏。與鋰基過渡金屬氧化物（LiTMO2）相比，鈉基過渡金屬氧化物（NaxTMO2）因堿金屬層間距更大（Na+離子半徑1.02?，Li+為0.76?），在環境空氣中更易發生反應，表現出更高的表面殘堿含量。特別是O3型NaTMO2極易出現表面殘堿升高、活性鈉流失與結構劣化現象。這種敏感性從多方面制約了其成熟應用：（1）粉體表面污染；（2）電極漿料凝膠化；（3）電化學性能衰減；（4）高壓下電驅動產氣。

目前通常采用被動防控策略（調控化學性質、惰性包覆層）與主動去除策略（脫堿處理）解決表面殘堿問題。液相洗滌脫堿并配合二次燒結，已成為鋰基高鎳正極材料廣泛應用的工業化方案。高效但具有潛在破壞性的水性脫堿溶劑包括水或硼酸、硝酸、鹽酸、NH4H2PO4、LiH2PO4等弱酸性溶液；有機溶劑主要包括甲醇、乙醇、N-甲基吡咯烷酮等。遺憾的是，O3-NaTMO2對水性介質敏感，在脫堿過程中面臨嚴峻挑戰。研究者發現，NaTMO2在水/濕氣處理下會發生顯著的活性鈉溶出與層狀結構破壞，表現為比容量驟降。這一現象常被歸因于Na+/H+交換（與LiTMO2類似），但未能解釋隨時間加劇的深度結構劣化。液相脫堿過程中涉及的液-固接觸科學問題，阻礙了O3-NaTMO2材料的進一步規模化應用。

本工作以O3-NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（簡稱NFM，一種已在海鈉電池、NATRIUM等實現小規模產業化的典型O3-NaTMO2）脫堿過程中的液-固耦合相互作用為研究對象，通過系統表征對比研究了水與乙二醇兩種典型溶劑的脫堿效果。從加工性能、電化學性能與安全性角度驗證了乙二醇脫堿的有效性，并通過正向/逆向結構表征揭示了材料的關聯性失效行為。進一步提出由溶劑分子嵌層驅動的液-固相互作用機制，闡明了耦合作用過程。基于所建立的分析框架，將變量回歸至主體O3層狀氧化物，將研究范圍拓展至更多鈉基過渡金屬氧化物與鋰基高鎳氧化物，以水為參比溶劑驗證了該機制的普適性。本文定義“堿金屬流失量”以量化結構損傷程度，從而評估正極材料對液相環境的穩定性耐受區間。該工作為脫堿工藝的優化與創新提供了支撐，有助于高敏感性氧化物正極材料的規模化應用，進一步提升廉價且分布廣泛的鈉基儲能技術在未來清潔能源存儲中的應用潛力。

本研究以O3型層狀氧化物正極材料為研究對象，針對其表面殘堿難以高效脫除且水洗易引發晶格崩塌、活性鈉離子大量溶出等規模化應用難題，系統揭示了脫堿過程中固相主體材料與液相溶劑的相互作用機制，闡明了結構劣化與溶劑分子構型、堿金屬-氧鍵共價性的依賴關系，明確水分子可自發嵌入鈉層并引發質子化與鈉離子連續泄漏，而乙二醇因尺寸效應能阻止分子嵌入與結構深度破壞，實現高效且低損傷脫堿。

研究通過多維度表征與逆向結構分析，驗證了乙二醇脫堿后材料在漿料加工性、電化學容量、循環穩定性及電池產氣安全性上的顯著提升，結合第一性原理計算從熱力學與電子結構層面闡釋了溶劑分子嵌入、質子化、堿金屬溶出的耦合關聯，并將該作用機制與分析框架拓展至多種鈉基及富鋰鎳基O3型層狀氧化物，定義“堿金屬損失”作為量化結構損傷與液相穩定性耐受度的評價指標，完善了敏感正極材料液相處理的穩定性評估體系。

該成果突破了傳統水洗工藝不適用于高敏感鈉基層狀氧化物的技術瓶頸，為O3相層狀氧化物的液相脫堿工藝優化與革新提供了基礎理論指導，同時建立的固液相互作用分析框架可廣泛適用于電極材料制備、水系極片加工、長期儲存、循環再生等多場景的質傳遞過程研究，對推動高敏感性氧化物正極材料的規模化應用、夯實鈉基儲能技術的產業化基礎、拓展低成本廣域分布的鈉基儲能在清潔能源存儲領域的應用潛力具有重要科學價值與工程意義，也為電極材料-溶劑體系的理性設計、工藝路線定制化開發提供了通用思路與評價準則，有望帶動相關正極材料后處理技術產業升級，加速鈉電在大規模儲能等場景的商業化落地。

Deciphering the liquid-solid interactions in dealkalization of O3 layered oxides. Nat. Commun., (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70581-2.

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