一作+通讯!南昌航空大学刘智勇/孙海俊Nature子刊 | 钙钛矿材料离子迁移调控机理新进展!

固态离子导体作为全固态电池、固体氧化物燃料电池及传感器等关键技术的核心材料，近年来受到广泛关注。其中，具有钙钛矿结构（ABO₃）的材料因其晶体结构的可调性和丰富的物理性质，成为离子传导研究的重要对象。传统上，通过异价离子取代引入A/B位或氧空位是提高离子导电性的常用策略。

然而，如何同时调控A位阳离子（如Na⁺）和氧离子（O²⁻）的传导行为，并阐明其与氧八面体畸变、晶格缺陷之间的内在关联，仍是该领域的关键科学问题。该项研究以CaZrO₃修饰的NaNbO₃基陶瓷为对象，系统研究了A位非化学计量比对离子传导行为的影响机制。

图1 设计理念示意图

近日，南昌航空大学动力与能源学院教师刘智勇、孙海俊团队通过A位非化学计量比策略，成功实现了对Na_0.96xCa_0.04Nb_0.96Zr_0.04O_3-δ陶瓷中Na⁺和O²⁻离子传导的协同调控。XRD和电学性能分析表明，所有样品均保持Pbma正交结构。随着Na含量增加，缺陷类型由空位转向间隙原子，NbO₆八面体经历从压缩→正常→扭曲扁平的变化，导致Na-O-Na和Na-O-Nb网络中的间隙扩大，进而有效调控离子通道。

电化学测试表明，Na-deficient样品以O²⁻传导为主，stoichiometric样品表现为O²⁻与电子的混合传导，而Na-excess样品则以Na⁺传导为主。这项研究揭示了晶格缺陷与氧八面体畸变对离子传导的协同调控机制，为设计新型固态离子导体提供了理论依据。

图2 NCNZ-Naₓ样品的原子尺度微观结构与缺陷特征

该项研究通过调节NaNbO₃基陶瓷中A位Na的非化学计量比，成功实现了对Na⁺和O²⁻离子传导的协同调控。研究发现，随着Na含量变化，NbO₆八面体呈现出从压缩到正常再到扭曲扁平的连续演变，进而影响Na-O-Na和Na-O-Nb网络的间隙结构。

结合缺陷类型（空位 vs. 间隙）的变化，O²⁻和Na⁺的迁移通道得以有效调控。在Na-deficient样品中，O²⁻为主要载流子；在stoichiometric样品中，表现为混合传导；在Na-excess样品中，Na⁺主导传导行为。该研究不仅深化了对钙钛矿结构中离子传导机制的理解，也为设计高性能固态离子导体提供了新的思路。

Liu, Z., Xiang, C., Ren, P. et al. Tailoring sodium and oxygen mixed-ion conduction in the A-site non-stoichiometric NaNbO3-based ceramics. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69428-7