研究背景

P2型层状氧化物正极材料因其高比容量、低成本以及优异倍率性能，被认为是下一代高能量密度钠离子电池的重要候选正极。然而，该类材料通常具有显著的本征缺钠特性，其典型化学式为Na_0.67MO₂（M为Mn、Co、Ni等金属），仅含约0.67个Na⁺。这一巨大钠亏损会导致全电池约30%左右的活性钠损失，从而严重限制体系能量密度与循环稳定性。

目前已有的补钠策略（如Na₂CO₃、Na₂C2O₄等牺牲盐）虽然能够部分缓解初始不可逆容量损失，但在P2体系中仍面临补钠效率低、分解电压高以及产生大量CO2/NO_x等气体副产物的问题，易导致界面恶化及软包电池鼓胀。因此，开发兼具高效补钠能力、低副反应及工程适配性的补钠体系具有重要意义。

成果简介

近日，南开大学化学学院、有机新物质创造前沿科学中心张凯教授团队联合复旦大学高悦研究员团队，提出了一种基于机器学习辅助筛选的机硼盐补钠剂——四苯基硼酸钠（NaBPh₄），实现了P2型层状氧化物体系的高效补钠。研究团队结合DFT计算、随机森林模型（RFR）以及Pareto多目标优化，从2500余种硼中心分子中筛选得到NaBPh₄。该分子兼具：低分解电压（≈3.2 V）、高电解液溶解度（273.6 g L⁻¹）、无气体副产物释放、高效补钠能力。在HC||P2-Na_0.67Ni_0.08Ti_0.12Mn_0.8O₂全电池中，NaBPh₄可显著提升体系活性钠储量，并构建富硼CEI界面，从而同步改善循环稳定性与界面动力学。最终， 5 Ah软包电池在 0.1 C下达到184 Wh kg⁻¹超高能量密度；循环寿命超过3700圈，容量保持率达72.08%。相关成果为高比能钠离子电池的实用化开辟了新路径。

相关成果以“Enabling Sodium-Ion Batteries over 180 Wh/kg via Organic-Salt-Driven Sodium Replenishment”为题在《Advanced Materials》期刊发表，南开大学博士生赵佳华为第一作者，张凯教授、高悦研究员为通讯作者，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。

内容解读

图1. P2层状氧化物体系中的补钠机制示意图。

传统P2正极由于缺钠导致大量容量损失，而NaBPh₄可在首次充电过程中分解释放Na⁺，同时形成稳定富硼CEI层。

图2.机器学习辅助有机补钠剂筛选流程。

研究团队通过构建包含Eox与ΔGsolv预测模型的机器学习框架，实现对硼中心分子的高通量筛选与Pareto优化，并最终确定NaBPh₄为最优候选分子。

图3. NaBPh₄分解机制解析。

通过CV、原位Raman、¹¹B NMR、¹H NMR及LC-MS等表征，证明NaBPh₄在首次充电过程中可完全不可逆分解，并释放Na⁺参与补钠。

图4. NaBPh₄对界面结构与动力学的影响。

HR-TEM与XPS结果表明，该添加剂能够形成更均匀、更稳定的富硼CEI层，并有效降低界面阻抗与离子扩散阻力。

图5.全电池与软包电池性能展示。

采用NaBPh₄后，HC||P2全电池初始放电容量提升，并在5 Ah软包体系中实现184 Wh kg⁻¹高能量密度及优异循环稳定性。

总结展望

本工作发展了一种可溶性有机硼盐补钠剂，实现了高效补钠能力与界面稳定性的协同优化。NaBPh₄不仅能够有效补偿P2型层状氧化物中的巨大钠亏损，同时还能构建稳定富硼CEI层、改善界面动力学并提升软包电池循环寿命。该工作为高缺钠体系钠离子电池提供了新的工程化补钠思路，也展示了AI辅助分子设计在储能材料开发中的巨大潜力。

来源：新威NEWARE