【研究背景】

锂离子电池(LIBs)的发展始终受限于有限的原材料储备，而将退役锂离子电池正极材料进行循环利用并转化为资源更加丰富的钠离子电池(SIBs)正极有望解决锂资源储量限制。在正极材料中，层状过渡金属氧化物正极(Na_xMO₂，其中M代表过渡金属)因其合成工艺简单和理论容量高而广受关注。然而，有害的相变严重阻碍了SIBs的实际应用，尤其在低温条件下Na⁺传输动力学急剧恶化。因此，开发适用于Na_xMO₂的低温SIBs正极材料仍是关键挑战。

【工作简介】

近日，南开大学陈军院士、严振华副研究员和福建师范大学陈庆华教授、曾令兴教授联合研究，利用退役锂离子电池正极材料制备耐低温钠离子电池正极材料。通过Zn掺杂以调控轨道杂化，增加费米能级附近Zn 3d与TM 3d的无序度，增强轨道重叠、消除中间相，并调控正极表面电解液分解行为。开发出一种"一石多鸟"的策略，同步解决层状过渡金属氧化物正极在储钠过程中的不利相变与低温动力学迟滞问题，尤其适用于Ah级软包电池的应用场景。生命周期评价结果表明，将废旧锂离子电池正极再造为钠离子电池正极，相比传统商业化正极生产工艺展现出显著的可持续性和成本效益。

本文利用废旧锂离子电池正极材料制备耐低温钠离子电池正极材料，通过Zn掺杂来优化O 2p和TM 3d轨道在Na_0.67Ni_0.16Co_0.16Mn_0.67O₂中的杂化环境。这增加了费米能级附近Zn 3d和Mn三d态之间的无序度，从而破坏了Na⁺空位有序，防止了多相转变(P2'和OP4)和Jahn-Teller畸变。值得注意的是，这种方法同时增强了正极材料的氧化还原可逆性，同时抑制了不可逆的TM迁移。通过优化轨道杂化，活化能和阻抗显著降低，加速了Na⁺在超低温(−70°C)下的快速储存。


从环境和经济角度来看，将废旧锂离子电池的正极升级再造为钠离子电池正极，相较于传统正极制造工艺展现出显著的可持续性和成本效益。这种通过元素掺杂调控过渡金属3d轨道以获得高性能再生正极的策略，有望进一步推动废旧锂离子电池正极的高值化回收，并为设计适用于碱金属离子电池、多价离子电池、固态电池、电催化及其他领域的耐低温电极提供可靠的理论指导。

【论文信息】

Optimising orbital hybridization induced quenching multistage phase transitions and enhancing redox kinetics for ultralow-temperature (-70°C) sodium storage, Wenbin Lai⁺, Fenqiang Luo⁺, Lingxing Zeng*, Zhiying Lai, Kai Jia, Fuyu Xiao, Lihui Chen, Yong Lu, Qingrong Qian, Qinghua Chen*, Kai Zhang, Zhenhua Yan*, and Jun Chen*, Adv. Funct. Mater., 2025, 35, 2517602.

来源：能源学人