层状过渡金属氧化物是锂/钠离子电池正极材料的核心体系，其合成质量直接影响电池的能量密度与循环寿命。高温固相法工艺简单、易于放大，是工业上最常用的合成路线。但在制备多组分层状氧化物时，不同金属前驱体的反应温度窗口和扩散速率彼此错配，容易导致元素分布不均和杂相残留。如何在固相反应中主动引导相演化路径、实现高均匀性的可控合成，是该领域长期面临的难题。
针对这一难题，张永志团队从晶体结构的拓扑关系出发，提出了尖晶石模板固相合成策略。尖晶石型氧化物与层状氧化物共享密堆积氧骨架，可作为结构兼容的“模板”前驱体：先将多种过渡金属预先整合在同一尖晶石晶格中，再与锂盐或钠盐反应转化为层状材料。研究团队结合时间分辨原位X射线衍射与密度泛函理论计算，系统研究了从单组分到二元、三元、四元尖晶石体系的锂化与钠化过程。
研究发现，锂体系倾向于先形成瞬态的尖晶石类中间相，再分步转变为层状相；钠体系则直接转变为层状相。团队提出以反位缺陷形成能作为关键能量学描述符来揭示这一差异。钠离子与过渡金属离子的尺寸差异更大，钠基体系的反位缺陷形成能约为锂基体系的3倍以上，阳离子混排的中间构型难以稳定。在多组分体系中，层状相的生成温度与计算得到的反位缺陷形成能呈一致的变化规律。尖晶石路线将传统固相法的多阶段反应简化为热力学驱动力持续的直接路径，提升了元素均匀性并抑制了岩盐相杂质。
该研究揭示了前驱体拓扑结构与缺陷能量学在固相反应中的协同调控作用，表明固相合成不仅取决于原料混合与扩散动力学，还可以借助前驱体与产物之间的结构关系加以引导。这为锂/钠离子电池正极材料的制备提供了新路线，也为复杂组分氧化物及其他无机功能材料的理性合成提供了新思路。
该研究以“Spinel-Based Solid-State Reactions: From Spinel Oxides to Lithium or Sodium Layered Oxides”为题，发表于国际顶级化学期刊Angewandte Chemie International Edition。我院为论文第一单位和唯一通讯单位，博士研究生周宇琦为论文第一作者，张永志副研究员为论文唯一通讯作者。该研究得到特种化学电源全国重点实验室和四川省科技厅的经费支持。
