高中化学视野里的科学前沿|廉价铁,也能做电池——“八面体配位”如何决定钠离子电池的寿命

2026年8月，中国科学院化学研究所万立骏/郭玉国团队在《自然–纳米技术》（Nature Nanotechnology）发表研究，首次揭示了铁离子在八面体配位的不稳定性是导致高铁层状氧化物正极材料电化学机械失效的根本原因。

核心数据：

采用多元素纳米级掺杂协同稳定铁配位化学策略

体相引入Al(III)和Co(III)增强Fe–O键能

界面引入Y(III)增强界面铁离子配位稳定性

Ah级软包钠离子电池可稳定循环2000圈以上

能量密度达到437 Wh/kg，200圈循环后容量保持率80.2%

研究团队利用先进表征技术，揭示了铁离子在八面体配位的不稳定性是失效的根本原因。在此基础上提出了多元素纳米级掺杂协同稳定铁配位化学的策略：在体相中引入Al(III)和Co(III)元素，增强Fe–O键能并提高铁离子的迁移能垒，稳定体相中铁离子的八面体配位环境；同时在界面处引入与氧具有高键能的Y(III)元素，增强界面处铁离子的八面体配位稳定性。该稳定化策略有效抑制了由裂纹与滑移引发的机械失效。

1. 为什么用“铁”做钠离子电池？

高中化学必修讲金属资源时，会提到铁是地壳中含量最丰富的过渡金属之一，储量丰富、价格低廉。而传统钠离子电池层状氧化物正极材料大量使用镍、铜等昂贵的过渡金属元素，削弱了钠离子电池的成本竞争力。

用铁代替镍、铜来制作钠离子电池正极材料，可以大幅降低成本。这正是高铁层状氧化物正极材料的核心优势。

2. 什么是“八面体配位”？

高中化学选择性必修二“物质结构与性质”讲配合物时，会提到“配位数”和“配位构型”的概念。

在层状氧化物正极材料中，过渡金属离子（如Fe³⁺）被6个氧原子包围，形成一个正八面体构型——金属离子在中心，6个氧原子在6个顶点。这个结构非常稳定，是层状材料能够高效储存和释放钠离子的关键。

3. 铁离子为什么会“跑偏”？

高中化学选修讲“化学平衡”时，核心概念是：条件改变，平衡会移动。

在电池充放电过程中，Fe³⁺会发生氧化还原反应（Fe³⁺⇌Fe⁴⁺）。当Fe被氧化为Fe⁴⁺时，它的离子半径变小，而且电子构型发生变化，导致它不再“安分”地待在原来的八面体位置里——它会“跑”到相邻的层间位置去。

用高中化学的语言来说：Fe⁴⁺在八面体配位中不稳定。这种“跑偏”会导致晶体结构从内部产生裂纹和层间滑移，最终导致电池容量快速衰减。

4. 为什么这个策略有效？

在体相中，Al(III)和Co(III)的引入增强了Fe–O键能，使得Fe⁴⁺氧化态下不易从八面体位置迁移到层间。在界面处，Y(III)与氧具有高键能，增强了界面处铁离子的八面体配位稳定性，有效抑制了裂纹与滑移引发的机械失效。

利用研制出的正极材料组装的Ah级软包钠离子电池，可稳定循环2000圈以上。这展示了从原子尺度的配位化学设计出发，解决电池宏观性能退化问题的完整思路。

课本上说：配位化合物的空间构型决定了其稳定性。

前沿研究说：Fe⁴⁺在八面体配位中不稳定，会“跑偏”导致材料失效。通过纳米级掺杂增强Fe–O键能，可以把铁离子“稳”在八面体位置上。

课本上说：化学键的键能越大，化学键越稳定。

前沿研究说：Al(III)、Co(III)和Y(III)的引入，正是利用“键能”这一杠杆，从原子层面“锁住”了铁离子的八面体配位环境，让廉价铁基正极材料也能实现2000圈以上的长循环寿命。