一、基础信息

论文来源

期刊：Science Advances，2026 年 5 月 15 日上线；DOI：10.1126/sciadv.aed4045

通讯单位：南京大学、中国科学院大学；通讯作者：王景阳、金艳、伦正言、朱嘉；一作：吴迪、吴滟、黄慧玲、费敏飞

论文标题：Discovering high-efficiency cathode presodiation additives for Na-ion batteries via high-throughput screening

研究对象

基于高通量计算筛选含钠氧化物预钠添加剂，重点研究 Na₄FeO₄（NFO），同步验证 Na₅FeO₄、Na₅NiO₄、Na₄TiO₄等；搭配 NFM、NVP、P2 层状、锰基等多种正极组装全电池测试添加剂效果。

核心关键词

钠离子电池、正极预钠添加剂、高通量材料筛选、Na₄FeO₄、首圈不可逆钠损耗、SEI 膜、能量密度提升、低分解电压、普适性、DFT 计算

二、研究背景

硬碳负极首次充放电会生成 SEI 膜，不可逆消耗大量活性钠，首圈库伦效率仅 70%~80%，持续循环中 SEI 反复破损再生也会持续耗钠，大幅拉低全电池能量密度。正极预钠添加剂可在制浆阶段引入额外钠源，工艺兼容现有产线，但现有材料难以同时满足高不可逆容量、2–4 V 低分解电压、产物稳定、低成本等要求，传统试错法研发效率极低，亟需高通量计算快速筛选高性能补钠材料。

三、文章主要内容

高通量筛选体系搭建

从 Materials Project 近 5000 种含钠化合物出发，以热力学稳定性、电子导电性、元素可持续性、理论比容量为筛选标准，最终得到 52 种潜在预钠添加剂，多数分解电位落在钠电池 2–4 V 工作区间，大幅缩短研发周期。

代表性补钠材料性能

合成 Na₄FeO₄、Na₅FeO₄、Na₅NiO₄等氧化物，不可逆容量最高达 537 mAh/g；核心材料 Na₄FeO₄首圈充电容量 451 mAh/g，94.5% 容量释放电压低于 4 V，和主流正极窗口高度匹配。

NFO 脱钠分解机理

DFT、同步辐射 XAS、微分电化学质谱证明：充电时 Fe⁴⁺逐步还原至 Fe³⁺，晶格氧氧化释氧，材料不可逆转化为低价铁无定形相；分解产生少量 CO/CO₂，电池化成阶段即可排出，无长期副反应干扰。

全电池提升效果与普适性

硬碳 ||NFM 体系添加 15 wt% NFO，初始放电容量由 109.4 提升至 141.3 mAh/g，能量密度提升 24.5%，200 圈容量保持 83%；在磷酸钒钠、P2 层状、隧道锰基等多种正极体系均明显提升容量，适配多种钠电池路线。

预钠化量化规律与锂钠对比

建立添加剂最优添加量理论模型；相比锂电池预锂仅提升约 4.1% 能量密度，钠电池预钠增益空间更大，缺钠型正极搭配低首效硬碳时优势尤为突出，同时提出 Na₄FeO₃、Na₆ZnO₄等后续候选材料。

图1：预钠化添加剂高通量材料筛选与初步验证

图2：NFO结构与电化学性能

图3：NFO的分解机制

图4：NFO对全电池的提升

图5：预钠化与预锂化对比

总结

本研究针对钠离子电池首次库仑效率低的核心瓶颈，通过高通量筛选快速锁定52种候选材料。在此基础上，成功合成了Na₄FeO₄、Na₄TiO₄、Na₅FeO₄及Na₅NiO₄等代表性添加剂，在低分解电压下实现了最高537 mAh/g的补钠容量。文章深入研究了Na₄FeO₄的分解机理：充电过程中发生不可逆相变，伴随晶格氧氧化释氧，最终生成低价铁无定形产物。在全电池中，NFO在多种正极体系中均能显著提高全电池的放电容量和能量密度。本工作指出，对于首次效率较低的硬碳负极体系，预钠化带来的能量密度增益远高于锂离子电池中的预锂化，凸显了该策略在钠离子电池中的独特价值。本研究不仅为钠离子电池提供了一批高效、低电压的正极预钠化添加剂，也为未来牺牲型添加剂或其他材料的高通量筛选与理性设计建立了系统的方法框架。

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