北京
離子交換作為一種重要的拓撲化學反應策略，能夠在溫和條件下實現材料成分的精準調控，同時基本保持母體結構框架。該方法可將鈉離子電池層狀氧化物正極高效轉化為相應的鋰離子電池正極，并規避傳統高溫固相合成中常見的鋰揮發損失、過渡金屬遷移及結構退化等問題。然而，離子交換的實際應用仍面臨反應路徑難以預測、結構應力累積、晶格畸變及微裂紋生成等瓶頸，嚴重制約了正極材料的合成效率與電化學性能的發揮。因此，深入理解不同離子交換方法對結構演化機制的影響，并在此基礎上優化合成策略，具有重要的科學意義與應用價值。
近日，中國科學院物理研究所蘇東研究員團隊與西北工業大學傅茂森教授合作，利用透射電子顯微鏡及多種表征手段，系統對比了固相球磨法與液相超聲法兩種離子交換路徑的反應機制，揭示了能量傳遞模式對離子交換動力學與結構演化的調控規律，并在此基礎上提出了“球磨—超聲—退火”的組合優化策略，實現了離子交換率與結構完整性的協同提升。
研究發現，球磨法通過機械碰撞引入缺陷與局域應力場，驅動過渡金屬層由1/5有序超結構轉變為1/3有序構型，并伴隨應力誘導的原子長程層間滑移；超聲法則以集體振動模式激發表面反應，因體相能量快速衰減，交換受動力學限制，主要誘發層內無序和層間協同滑移。基于此機理認識，團隊提出了“球磨預活化—超聲促交換—后退火修復”的組合策略，即短時球磨構建離子快速傳輸通道，超聲促進后續交換并保持結構完整，而后退火修復殘余結構缺陷。該策略在2小時內實現98.3%的離子交換率，所得正極材料可逆容量達235 mAh/g，為兼顧高效交換與結構完整性的層狀氧化物正極可控合成提供了新思路。
圖：球磨和超聲兩種離子交換方法的能量傳遞、離子交換及結構演化示意圖
相關研究成果以“Energy-Transfer-Modulated Structural Evolution during Lithium?Sodium Ion Exchange in Layered Oxide Cathodes”為題，發表于《Journal of the American Chemical Society》上。中國科學院物理研究所姬鵬翔與西北工業大學張琳為共同第一作者，中國科學院物理研究所蘇東研究員與西北工業大學傅茂森教授為通訊作者。上述研究工作得到了中國科學院科技制高點項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科技新星計劃等項目的支持。相關實驗與模擬工作依托中國科學院robotic AI-Scientist平臺完成，XAFS測試獲得上海同步輻射光源BL13SSW線站支持。
編輯：Bingbing
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