钠离子电池因其丰富的天然钠，在电网规模储能方面受到了广泛的关注。目前，其性能受到可用电极材料的限制，尤其是钠离子层状氧化物，这无疑促进了人们开发具有高组成多样性的层状氧化物材料。组分在决定结构化学对电化学性能具有决定性作用，然而，其预测难度很大，特别是对于复杂的组成。对于Na离子氧化物，除了O型以外，还可能具有P型堆积结构。

近日，中科院物理研究所胡勇胜研究员，陆雅翔副研究员，荷兰代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker，法国波尔多大学ClaudeDelmas，美国哈佛大学Alán Aspuru-Guzik报道了引入了“阳离子势”用于捕捉了层状材料的关键相互作用，并使预测堆积结构成为可能。通过合理设计和制备性能更好的层状电极材料，证明了这一点。由于堆积结构决定了功能，这种方法为碱金属层状氧化物的设计提供了一种有效解决方案。

文章要点

1）较大的阳离子电势意味着更强的TM电子云扩展和层间静电排斥力，导致P2-型结构的d（O-Na-O）距离增加。与此相反，通过增加Na含量而获得的更大的平均Na离子电势会增加TMO₂层之间静电排斥的屏蔽，有利于O3-型结构。相图结果表明，TM或Na含量差异很小可导致P2-和O3-型结构之间的过渡。

2）研究人员以阳离子势为指导，通过控制Na含量和TM组分，设计了特定的堆积结构。通过一种典型的固态反应体系，研究人员在预测的O3-型结构中成功地制备了NaLi_1/3Ti_1/6Mn_1/2O₂。XRD的Rietveld精修结果证实了其层状岩盐结构。电化学性能显示，其能量密度约为630 WH kg⁻¹，高于已报道的O3-型电极。

3）针对x>0.67的反常高钠离子含量，研究人员又从NaLi_1/3Mn_2/3O₂开始，并根据阳离子电势，预测并成功了具有高钠含量的P2-型结构的Na_5/6Li_5/18Mn_13/18O₂。迄今为止，如此高钠含量的层状氧化物通常结晶为O3-型结构。电化学性能测试结果显示，这种高钠含量材料具有相当高的容量，超过200 MAh g⁻¹。

4）研究人员将阳离子势扩展到其他碱金属层状氧化物，包括Li离子和K离子。结果显示，阳离子势（Eq.1）从K到Na到Li离子不断增加。因此，K_xTMO₂主要结晶为P2-型，而Li_xTMO₂主要结晶为O3-型结构，而Na_xTMO₂可以结晶为P2-和O3-型结构。

Chenglong Zhao, et al, Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries, Science, 2020

DOI: 10.1126/science.aay9972

http://science.sciencemag.org/content/370/6517/708