国家杰青领衔！太原理工张献明/段小川/武汉工程张鼎/中国科学院张育涵Science Bulletin：破解钠电正极高压瓶颈，兼顾增强空气耐受性！

纳米人

2026-03-19

钠离子电池被公认为大规模储能领域替代锂离子电池的重要体系，有望推动储能产业向低成本、高安全方向升级。O3 型层状氧化物凭借高理论容量和易规模化优势，成为实用化钠离子电池的主流正极材料，备受学术界与工业界关注。然而，该材料在常规电压区间（2.0–4.0 V）内容量仅约 120 mAh g^–1，严重限制了其市场竞争力。提升充电截止电压虽可突破容量瓶颈，但会引发晶格氧不稳定、不可逆相变及电解液分解等问题，导致材料结构衰变、性能快速衰减，成为高容量 O3 型正极走向商业化必须攻克的关键难题。

为此，太原理工大学张献明（国家杰青）、段小川团队联合武汉工程大学张鼎、中国科学院张育涵，报道了一种可逆固溶体反应与阴离子氧化还原化学一体化设计策略，成功开发出一种低成本、高容量、长循环、空气稳定的 4.3 V 级 O3 型层状氧化物正极材料NaNi_0.35Fe_0.2Mg_0.05Mn_0.3Ti_0.1O₂ (FMT)，从根源上解决了高电压下 P3→O1 不可逆相变与晶格氧释放两大关键难题。该研究将实用化 O3 型钠电正极的容量推近理论极限，为高电压层状氧化物正极的理性设计提供了重要思路与新策略。

本文要点

本研究核心亮点在于采用地壳丰度高的元素调控策略，设计出低成本O3型正极材料FMT，实现多维度性能突破。Fe、Mg、Ti三元素协同发力，构建高效调控体系：Fe等比例替代Ni、Mn参与电荷补偿，有效抑制高电压下结构坍塌；Mg构建“Na–O–Mg”结构，成功激活可逆氧离子氧化还原；Ti凭借强Ti–O共价键稳定晶格氧，协同抑制复杂相变并诱导固溶体反应。该协同设计从根源上解决了传统O3型正极的核心痛点，实现高度可逆氧氧化还原，杜绝持续氧损失与正极失活，彻底消除破坏性P3→O1相变，保障4.1 V以上高电压稳定性。同时实现近零晶格应变与快速钠离子扩散，显著提升材料综合性能。相较于原始NMO正极，FMT在循环稳定性、倍率性能及空气稳定性上均表现突出，验证了可逆阴离子氧化还原与固溶体化学的应用可行性，为可持续高能量密度钠离子电池耐高电压正极设计提供关键指导。

文献信息：

Lin-Rong Wu†, Yu-Han Zhang†*, Zhen Wu, Hui Wu, Nian Zhang, Ding Zhang, Xiaochuan Duan*, Xian-Ming Zhang*. Eliminating high-voltage phase transitions and oxygen loss in O3-type sodium layered cathodes via reversible solid-solution and anionic-redox chemistry. Science Bulletin (2026)

DOI: 10.1016/j.scib.2026.03.021.

https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.03.021

通讯作者介绍

张献明，太原理工大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，“万人计划”首批领军人才，“百千万人才工程”国家级人选，国务院特殊津贴专家，全国优秀博士论文获得者，洪堡学者，霍英东基金获得者，山西省首批“三晋学者”特聘教授，三晋英才（领军），教育部“新世纪优秀人才支持计划”，高等教育协会理科教育委员会常务理事，教育部化学专业教学指导委员会委员，中国化学会无机化学和晶体学分会委员，山西化学会荣誉理事长。主要从事新能源化学、金属-有机框架、纳米团簇、非线性光学和文物保护材料等相关研究，主持和参与国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大／重点／面上／青年、973子课题、教育部新世纪优秀人才基金、全国优秀博士学位论文专项基金、霍英东教育基金等基金。在 Nat. Commun., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. 等期刊发表研究论文 350 余篇，2014-2023 连续十年入选“中国高被引学者”榜单。曾获国家自然科学二等奖(排名5)、山西省科学技术奖一等奖两次(排名1)、二等奖两次(排名1)、广东省科学技术奖一等奖(排名3)。

段小川，太原理工大学化学与化工学院教授，英国皇家化学会会士。2008年本科毕业于哈尔滨工业大学理学院，2013年在南开大学获得材料物理与化学专业工学博士学位。在厦门大学化学化工学院从事博士后研究，主要研究方向为高性能储能材料与器件设计，包括聚合物固态电解质、一体化正极材料及低温储能技术。主持完成国家自然科学基金、省部级科研项目5项，横向项目4项。发表包括Advanced Materials，Advanced Energy Materials，ACS Nano等国际权威期刊SCI论文80余篇，其中第一/通讯作者40篇，获得授权发明专利6项；担任《航空材料学报》、《材料工程》及《Rare Metals》等学术期刊的青年编委。

张育涵，中国科学院大学博士，入选国家级青年人才托举计划，太原理工大学校长奖学金（最高荣誉）、博士/硕士国家奖学金获得者。先后师从太原理工大学张鼎教授、中国科学院崔光磊研究员。主要从事基于大科学装置表征的高比能二次电池正极材料及固态界面研究。发表SCI论文近20篇，申请和授权国家发明专利近10项。