随着全球对大规模储能需求的日益增长，钠离子电池（SIBs）因资源丰富、成本低廉，被认为是锂离子电池的有力补充。在钠离子电池的各项组件中，正极材料是决定电池性能上限的关键。其中，层状氧化物P2‑Na₀.₆₇-δMn₀.₆₇Ni₀.₃₃O₂（简称NMNO）因具有较高的比容量和易于规模化生产的特点，备受研究者关注。
然而，这款材料在电压高于4.2 V时，会发生有害的P2到O2的相变，引发约23%的巨大体积应变，这直接导致了材料的结构不稳定和容量的快速衰减。来自德国乌尔姆亥姆霍兹研究所（HIU）等机构的科研团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》发表研究成果，系统对比了多晶（PC）和单晶（SC）NMNO正极材料的物化与电化学性能。研究结果表明，单晶化是提升材料循环稳定性的关键因素。
研究团队通过简单的固相法制备两种材料：
l PC-NMNO：900℃烧结，由数百纳米的一次颗粒团聚而成，内部晶界密集。
l SC-NMNO：1050℃二次高温煅烧，形成平均粒径12.7 μm的独立单晶颗粒，内部无晶界，边缘清晰、表面光滑。
在2.0 ~ 4.2 V电压窗口、1C倍率下循环175次后，：
l SC-NMNO容量保持率高达74%
l PC-NMNO容量仅剩27%
单晶材料比多晶材料的容量高出47%。
为何差距如此悬殊？研究团队使用STOE STADI P粉末X射线衍射仪等仪器，对PC-NMNO和SC-NMNO电极在首两圈充放电循环过程中的结构变化进行了实时追踪，揭示了背后的机理：
所制备正极材料的结构表征
从微观结构看，多晶材料内部存在大量晶界，而单晶材料则是一个完整的晶体，内部无晶界。这种结构上的本质差异，直接决定了它们在实际工作中的表现。(a, b) Rietveld精修XRD谱图确认PC-NMNO 和 SC-NMNO 两者均为纯相P2型层状结构，无杂质峰；(c, d) SEM图像显示，PC-NMNO由数百纳米的一次颗粒团聚而成，而SC-NMNO则为尺寸约12.7 μm的独立单晶颗粒，边缘清晰、表面光滑；(e) 粒度分布曲线进一步量化了两者的尺寸差异；(f) 晶体结构示意图表明，P2型NMNO由TMO₂八面体层与NaO₆三棱柱层交替堆叠而成，Na⁺占据两种棱柱位点。
SC-NMNO样品在首两圈充放电循环过程中的结构演化：(a) 充放电曲线；(b) 在0.1C倍率、电位窗口4.2−1.5 V条件下记录的原位XRD等高线图；(c) (002)衍射峰演化的局部放大图
SC-NMNO在首两圈充放电循环中的原位XRD等高线图及对应的（002）衍射峰演变。充电时，（002）峰持续向低角度偏移，表明层间距逐渐扩大，对应钠离子脱出；而（100）、（102）等峰则向高角度移动，反映a轴收缩。在约4.16 V的高压平台区，所有峰位几乎停滞不变，暗示结构进入准稳态。放电过程呈现对称可逆行为。值得注意的是，在整个充放电过程中并未观测到P2→O2相变的特征峰，说明单晶结构有效抑制了有害相变，为优异循环稳定性提供了结构层面的直接证据。
PC和SC样品在首次充放电循环期间（P2相）晶格参数 a、c 及晶胞体积 (V) 的变化
基于Operando XRD数据精算了PC-NMNO和SC-NMNO在首圈充放电过程中a轴、c轴及晶胞体积V的演化曲线。充电时，两者的a轴均收缩、c轴均扩张，但SC-NMNO的体积变化ΔV仅为1.0%，明显低于PC-NMNO的1.4%。这一微小但关键的差异，在多晶材料中会因晶界存在而被放大为应力集中，诱发微裂纹；而单晶材料因无晶界，能更从容地容纳各向异性形变。更小的体积应变意味着更稳定的晶体骨架，这是SC-NMNO实现长循环寿命的核心结构基础。
循环后电极的失效分析（Postmortem analysis）：(a) 循环后电极的 XRD 图谱（标记“*”的峰归属于未知相）；(b, c) 分别为循环后的 PC-NMNO 和 SC-NMNO 电极的 SEM 图像；(d, e) 分别为原始（未循环）和循环后电极在 Mn 2p 区域的 XPS 高分辨谱图
对比循环后PC-NMNO与SC-NMNO电极的XRD图谱、SEM形貌及XPS Mn 2p谱图。XRD显示两者主体结构仍为P2相，但SC-NMNO的衍射峰更为尖锐，表明其结晶度保持良好。SEM图像中，PC-NMNO颗粒表面粗糙，覆盖有明显分解产物，而SC-NMNO表面依然光滑。XPS结果进一步证实，循环后的PC-NMNO电极几乎检测不到Mn信号，表明表面被厚厚的一层电解液分解产物（如氟化物、氯化物）覆盖；而SC-NMNO的Mn信号依然清晰可见。这直观说明单晶材料能有效抑制界面副反应，保护正极表面免受侵蚀。
在整个研究中，原位XRD技术是揭示结构演化与性能关联的核心手段。而承担这一重任的，正是STOE STADI P粉末X射线衍射仪（2025年11月已正式加入精微高博）。
它的三大硬核实力，为这项研究提供了坚实数据支撑：
l 透射几何设计：保证样品在光束中体积恒定，在整个2θ范围内获得可靠衍射强度，规避择优取向问题。
l 弯晶Ge(111)单色器：提供纯Kα₁辐射，角度分辨率极高（FWHM < 0.03°），峰形对称性优异，让晶格参数精算和相变判断更精准。
l ADAMAnT自动校准系统：软件自动控制光路，即使更换X射线管或靶材（如Mo、Ag），几分钟内即可完成最佳准直，大幅提升长时间原位实验的效率和数据重现性。
正是凭借这些优势，研究团队才能精确捕捉（002）等特征峰的位移，量化晶格演变，并最终确认单晶抑制P2→O2相变的关键机制。
关于STOE
STOE公司自1887年创立以来，总部位于德国达姆施塔特的STOE，集研发、软件编程、机电工程与生产于一体，以严谨的德系工艺和定制化能力，始终专注于晶体光学检测与X射线衍射技术，率先发明粉末X射线衍射透射几何技术，并推出首款搭载开放式欧拉支架及像素探测器的单晶X射线衍射系统。成为全球晶体学、化学、材料及制药领域的重要合作伙伴。2025年11月，STOE正式加入精微高博，在延续德系精工底蕴的同时，依托精微高博在中国的本地化服务能力，持续为全球用户提供更优质的X射线衍射解决方案。
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