日本东京理科大学应用化学系Shinichi Komaba教授、Kodai Moriya先生和项目科学家Shinichi Kumakura博士领导的研究团队取得重要成果，揭示了钪(Sc)掺杂对提高P'2多型体Na₂/₃MnO₂电极循环稳定性的显著作用，相关研究于2025年9月12日发表在《先进材料》杂志上。

由于锂相对稀缺，钠在地壳中储量丰富，钠离子电池正成为锂离子电池可行且经济高效的替代品。在钠离子电池中，正极材料的选择影响电池容量和稳定性。层状钠锰氧化物(Na₂/₃MnO₂)作为不使用稀土金属的高容量钠离子电池正极材料备受关注，但其在充放电循环过程中容量衰减迅速，是亟待解决的重大挑战。

在NaMnO₂电极充放电循环时，Na⁺离子不断嵌入和脱嵌正极材料，锰(Mn)的氧化态在Mn³⁺和Mn⁴⁺间变化，Mn³⁺离子形成会引发Jahn-Teller畸变，反复变形导致NaMnO₂在原子和粒子层面累积应变，最终造成结晶度丧失和容量严重下降，这是Na₂/₃MnO₂电极容量损失的主要原因。此前研究尝试在Mn位点替换金属解决该问题，但效果和机制待明确。

Na₂/₃MnO₂的晶体结构有多种多型体，P2多型体和P'2多型体关键区别在于前者表现出局域化的Jahn-Teller畸变，后者表现出协同的Jahn-Teller畸变。研究团队对每种多型体中含有不同含量Sc的掺杂和未掺杂样品进行一系列实验。

结构测试表明，Sc掺杂P'2 Na₂/₃[Mn₁₋ₓScₓ]O₂可有效调节其结构，使颗粒更小、晶体生长改变，同时保留协同的Jahn-Teller畸变和超结构，显著提高结构稳定性。此外，Sc掺杂可防止与液体电解质发生副反应，增强水分稳定性。

钠半电池测试结果显示，Sc掺杂的P'2型Na₂/₃[Mn₁₋ₓScₓ]O₂电极循环稳定性显著提升，Sc掺杂量为8%的样品性能最佳。与未掺杂样品不同，掺杂样品结晶性在循环过程中显著保持。有趣的是，Sc掺杂未改善P2 NaMnO₂电极的循环稳定性，表明Sc掺杂与协同Jahn-Teller畸变存在特定协同作用。而且，掺杂镱和铝等类似金属阳离子未降低容量衰减，凸显了Sc的独特作用。

研究团队还测试了预循环效果，该技术进一步提高了掺杂P'2 Na₂/₃[Mn₁₋ₓScₓ]O₂电极的容量保持率。基于这些结果，使用8% Sc掺杂的P'2 Na₂/₃[Mn₁₋ₓScₓ]O₂电极制作的纽扣型全电池，在300次循环后仍表现出60%的容量保持率。

Komaba教授强调，尽管钪是昂贵金属，但该研究证明了其在电池开发中的可行性，研究成果有望促进高性能、长寿命钠离子电池的开发。此外，研究还阐明了一种新策略，即通过晶格畸变扩展层状金属氧化物的结构稳定性，提高使用这些材料制成的电池的性能。总体而言，这项研究为钠离子电池更广泛应用铺平了道路。

更多信息： Kodai Moriya 等，钪掺杂对 P'2‐ 和 P2‐型 Na 2/3 MnO 2电极性能的独特影响， 《先进材料》(2025 年)。