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研究背景
鈉離子電池作為電化學儲能領域的新星,備受關注。然而,在設計高能量密度陰極材料時卻面臨難題:在(脫)鈉過程中,材料容易產生結構應變,難以兼顧容量與穩定性。這種容量 - 穩定性的權衡困境,嚴重制約了鈉離子電池的發展,急需找到創新的解決辦法,以滿足日益增長的儲能需求。 成果簡介 在這項研究中,南開大學的研究人員開發出一種 P2 層狀雙硅酸鋰取代的 Na0.7Li0.03 [Mg0.15Li0.07Mn0.75] O2(NMLMO)陰極材料,Li 離子同時占據過渡金屬(TM)和堿金屬(AM)位點。理論計算和實驗表征顯示,占據 TM 位點的 Li 會產生 Na−O−Li 電子構型,提升氧陰離子氧化還原產生的容量;占據 AM 位點的 Li 則像 LiO6 棱柱柱,抑制有害相變,穩定分層結構。NMLMO 在 1.5 - 4.6V 寬電壓范圍內,展現出 266mAh g−1 的高比容量,且具備接近零應變的特性。 圖文導讀 材料結構與形貌:通過 HAADF - STEM、SAED 等技術,觀察到 NMLMO 材料的蜂窩狀層狀超晶格結構,以及元素分布情況,為理解其性能提供結構基礎。 電化學性能:對比 NMMO 和 NMLMO,NMLMO 在充放電曲線、循環性能等方面表現更優,展現出高容量和良好的循環穩定性。 電子結構與電荷補償:計算 pDOS 和 XANES 光譜表明,Li 離子在不同位點的作用不同,TM 位點 Li 促進氧氧化還原貢獻容量,AM 位點 Li 穩定結構。 結論 研究人員成功開發出 NMLMO 陰極材料,打破了鈉電池陰極材料容量 - 穩定性的權衡困境。該材料不僅比容量高,結構穩定性也十分優異,充放電時晶格體積變化僅 1.2%。研究還揭示了 Li 離子在不同位點的作用機制,為提高電池材料性能提供了新方向。這一成果有望推動鈉離子電池技術進步,在儲能領域實現更廣泛的應用,為能源存儲帶來新突破。 |