兰州理工大学张庆堂团队研究成果：碳酸锰两步反应制备P2-Na₀.₆₇MnO₂正极材料及性能
引言：
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和长循环寿命在储能领域占据主导地位，然而锂资源的稀缺性及分布不均限制了其大规模应用。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉且电化学性质与锂相似，被视为LIBs的理想替代品。层状过渡金属氧化物P2-Na0.67MnO₂（NMO）因具有稳定的晶体结构、较高的能量密度和较低的钠离子扩散势垒，成为SIBs正极材料的研究热点。目前，固相反应是合成SIBs正极材料的常用方法，但其性能受原料选择和烧结工艺影响显著。因此，探索新型原料及合成工艺对优化NMO材料性能具有重要意义。
1、研究背景 碳酸锰（MnCO₃）作为一种储量丰富、环境友好且成本低廉的锰源，在电池材料领域具有潜在应用价值。然而，现有研究多集中于以二氧化锰或硝酸锰为原料制备NMO，关于MnCO₃作为前驱体合成SIBs层状正极材料的研究尚不充分。本文选择MnCO₃为原料，系统研究制备工艺（一步反应与两步反应）对P2-Na0.67MnO₂晶体结构、形貌及电化学性能的影响，旨在揭示工艺-结构-性能之间的内在关联，为高性能SIBs正极材料的设计提供理论依据。本文基于兰州理工大学张庆堂教授团队研究成果及国家自然科学基金项目资助。 2、创新亮点 （1）原料创新：首次以MnCO₃为锰源，通过两步反应法制备P2-Na0.67MnO₂正极材料，突破了传统以二氧化锰或硝酸锰为原料的限制，降低了生产成本并提高了原料利用率。 （2）工艺优化：提出两步反应法（先合成Mn₂O₃中间体，再与Na₂CO₃反应），成功制备出具有一维棒状和二维片状复合形貌的NMO-2材料。该形貌结构有利于缩短钠离子扩散路径，提升电极反应动力学性能。 （3）性能突破：系统对比了两步反应法（NMO-2）与一步反应法（NMO-1）制备材料的电化学性能。结果表明，NMO-2在0.1 C倍率下放电比容量达140 mAh/g，10 C高倍率下仍保持71.8 mAh/g，且在0.5 C循环100次后容量保持率高达89.5%，综合性能显著优于NMO-1。 （4）构效关系解析：结合XRD和SEM分析，揭示了NMO-2优异性能的微观机制。较小的晶粒尺寸和特殊的棒状/片状形貌共同促进了钠离子的快速传输和结构稳定性，从而提升了材料的倍率性能和循环寿命。 3、图文展示 图1 XRD图谱：(a) NMO-1和(b) NMO-2; (002)晶面峰(c) NMO-1和(d) NMO-2 Fig.1 XRD patterns of (a) NMO-1 and (b) NMO-2; (002) crystal planes peaks of (c) NMO-1 and (d) NMO-2 图2 XPS图谱：(a) NMO-2总谱图;(b) Na 1s;(c) Mn 2p;(d) O 1s Fig 2 Survey scan of high-resolution XPS spectra:(a) XPS spectra of NMO-2;(b) Na 1s;(c) Mn 2p;(d) O 1s 图3 SEM图：(a) MnCO3;(b) NMO-1;(c) Mn2O3;(d) NMO-2 Fig 3 SEM images: (a) MnCO3;(b) NMO-1;(c) Mn2O3;(d) NMO-2 图4 (a) 恒流充放电曲线;(b) CV曲线;(c) 倍率性能曲线;(d) 循环性能曲线 Fig 4 (a) Galvanostatic charge-discharge curves; (b) CV curves; (c) Rate performance; (d) Cycling performance 图5 EIS图谱及等效电路图 Fig 5 EIS spectra and equivalent circuit of NMO 4、结论 （1）成功制备材料：以MnCO₃为原料，分别通过两步反应和一步反应制备了NMO-2和NMO-1两种P2-Na0.67MnO₂正极材料，验证了工艺路线的可行性。 （2）形貌与结构调控：XRD分析表明，NMO-2的晶粒尺寸更小，有利于钠离子迁移；SEM显示，NMO-2具有独特的一维棒状和二维片状复合形貌，而NMO-1为不规则颗粒。 （3）电化学性能优异：NMO-2展现出更高的放电比容量（0.1 C下140 mAh/g）、更优的倍率性能（10 C下71.8 mAh/g）和更好的循环稳定性（0.5 C循环100次后容量保持率89.5%），综合性能显著优于NMO-1。 （4）机理明确：NMO-2的优异性能归因于其较小的晶粒尺寸和特殊的形貌结构，这些特征有效提升了钠离子的传输效率和结构稳定性，为设计高性能SIBs正极材料提供了新思路。 本研究不仅丰富了SIBs正极材料的制备方法，还为锰基氧化物在钠离子电池领域的应用提供了重要参考，对推动SIBs产业化进程具有重要意义。 引用本文 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第4期，欢迎引用本文： 张庆堂,高鹏飞,王晓梅.碳酸锰两步反应制备P2-Na0.67MnO₂正极材料及性能[J].功能材料,2025, 56(4):04010-04015 Zhang Q T,Gao P F,Wang X M.Preparation and performance of P2-Na0.67MnO₂ cathode materials by a two-step reaction from manganese carbonate[J].Journal of Functional Materials,2025,56(4):04010-04015.