圖1.HEO424和NFM424樣品的結(jié)構(gòu)和形貌表征

圖2.首周充電過程中的結(jié)構(gòu)演變機(jī)制

圖3.高熵正極材料實(shí)際應(yīng)用評估

鈉離子電池是鋰離子電池的有益補(bǔ)充，其資源豐富、價格低廉，并具有優(yōu)異的綜合性能，是支撐大規(guī)模儲能領(lǐng)域發(fā)展的候選技術(shù)之一。近年來，鈉離子層狀氧化物（Na_xTMO₂，TM為過渡金屬離子）作為具有應(yīng)用前景的正極材料得到廣泛研究。但與鋰離子層狀氧化物正極相比，NaO₂層中Na⁺半徑較大，Na⁺-Na⁺靜電斥力較強(qiáng)，Na_xTMO₂在充放電過程中會發(fā)生更多復(fù)雜的相變，從而對電化學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。因此對鈉離子電池層狀材料的設(shè)計(jì)制備、組成優(yōu)化和結(jié)構(gòu)調(diào)控提出了更高的要求。

近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員胡勇勝團(tuán)隊(duì)在鈉離子層狀氧化物正極材料方向作了深入探索。近日，針對高熵材料中近乎等摩爾比的活性和非活性過渡金屬離子組成顯著降低材料的可逆比容量，以及其中昂貴和有毒性的鈷和銻離子不利于材料的低成本化和可持續(xù)性的問題，物理所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心懷柔研究部崗位博士后丁飛翔、容曉暉與副研究員陸雅翔和研究員胡勇勝合作，以O(shè)3-NaNi_0.4Fe_0.2Mn_0.4O₂（NFM424）正極材料為基底，通過替代二價鎳和四價錳離子設(shè)計(jì)出高熵構(gòu)型的NaNi_0.25Mg_0.05Cu_0.1Fe_0.2Mn_0.2Ti_0.1Sn_0.1O₂（HEO424）正極材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HEO424為純O3相，其顯著擴(kuò)寬的過渡金屬層擴(kuò)大了Na⁺八面體-四面體-八面體的傳輸通道，導(dǎo)致較快的Na⁺傳輸動力學(xué)；并且顯著降低Ni³⁺八面體的姜泰勒扭曲、Na⁺/空位有序無序轉(zhuǎn)變和晶格參數(shù)變化。上述結(jié)構(gòu)特征使高熵HEO424材料具有較好的倍率性能、優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性，且過渡金屬離子溶解和晶間裂紋得到明顯抑制。熱穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，HEO424材料具有更高的放熱溫度和更少的放熱量，有利于鈉離子層狀氧化物熱安全性的提升。

相關(guān)研究成果以Using High-Entropy Configuration Strategy to Design Na-Ion Layered Oxide Cathodes with Superior Electrochemical Performance and Thermal Stability為題，發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金的支持。