近日，原子能院核物理研究所中子散射研究室设计出一种用于钠离子电池，兼具高容量、优异循环和快充性能的正极材料。该研究成果申请发明专利1项，并发表于能源材料国际期刊《ACS Applied Energy Materials（ACS应用能源材料）》，文章第一作者为高健翔研究实习员，通讯作者为郭浩副研究员、孙凯研究员和陈东风研究员。
为助力国家能源消费结构改善，促进太阳能、风能等清洁能源的高效利用，发展低成本、高性能的钠离子电池至关重要，而钠离子电池研发的关键是高性能层状氧化物。P2型层状氧化物具有便捷的钠离子传输路径，适合应用于快充钠离子电池中。目前常用的P2型二元镍锰材料（NM）存在一定缺陷，在充电到高电压时会发生复杂的结构相变和较大的体积变化，导致循环和快充性能差。
为解决NM材料存在的缺陷，项目团队研究人员综合考虑元素的功能特性与成本因素，选取了镍、铜、铁、锰、钛五种元素，创新性地合成了一种具有优异快充性能，并同时兼具优异循环稳定性与高容量的P2型五元材料（NCFMT）。经研究证实，该材料在5分钟快充条件下容量保持率高达62%，在2C（放电倍率）条件下进行1000周循环后容量保持率达到89%，循环性能在所有已公开报道的材料中达最优。该材料同时具有120mAh/g的比容量。研究人员还利用中子衍射等手段研究了其在充放电过程中的微观结构演变，发现材料始终保持单相P2型结构，仅有约1%的体积应变，从微观结构演变角度解释了宏观性能提升的原因，为后续钠离子电池的中试提供了重要材料基础。
NCFMT材料与NM材料在充放电过程中的结构演变及循环容量图对比
该工作得到了国家自然科学基金委-青年基金的资助，研发过程中使用的中子束流由中国先进研究堆（CARR）提供。未来，项目团队将继续利用CARR中子科学平台，开展钠离子电池的中试和充放电机理研究。
