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周豪慎/郭少華Adv. Sci.:協同陰陽離子氧化還原獲得高穩定層狀正極

周豪慎/郭少華Adv. Sci.:協同陰陽離子氧化還原獲得高穩定層狀正極
鈉離子電池通常被認為是大規模儲能有希望的候選者。層狀鐵/錳氧化物正極由于元素豐度和高理論容量而受到廣泛關注。然而,由于在連續的鈉釋放和吸收過程中,錳溶解和鐵遷移的趨勢,這些材料的電化學性能通常會發生顯著下降。
南京大學周豪慎教授、郭少華教授等提出了一種在層狀Mn/Fe基正極Na2/3Fe2/3Mn1/3O2(NFM)中通過Li取代協同陰陽離子氧化還原的策略,以抑制過渡金屬離子電化學活性的過度使用所導致的結構退化,同時實現晶格應變的降低和電化學性能的提高。
周豪慎/郭少華Adv. Sci.:協同陰陽離子氧化還原獲得高穩定層狀正極
圖1. NFM和NLFM的結構表征
結果表明,獲得的Na0.8Li0.2Fe0.2Mn0.6O2(NLFM)由于Li取代而顯示出至少三個優勢:首先,NLFM在空氣中暴露1個月,甚至在水中浸泡1周后仍顯示出令人印象深刻的結構穩定性,而在空氣和水中儲存后,NFM中明顯出現了一個新相。
第二,密度泛函理論(DFT)計算、軟X射線吸收光譜(sXAS)和 X 射線光電子能譜(XPS)的結果證明,NLFM的氧氧化還原過程被激活,從而可提供更高的比容量。最后,NFM的有害相變在NLFM中被顯著抑制,這有助于快速的Na+傳輸和更好的循環性能,此外,可忽略的Mn溶解、不可見的Fe遷移和晶格應變也得到證實。
周豪慎/郭少華Adv. Sci.:協同陰陽離子氧化還原獲得高穩定層狀正極
圖2. NLFM和NFM的電化學性能比較
受益于上述優勢,NLFM表現出增強的電化學性能,表現為≈165 mAh g-1的高可逆容量、提升的容量保持率(在200 mA g-1下經過100次循環后為98.3%)和強大的容量恢復能力。這些發現加深了對陰離子和陽離子氧化還原協同作用的理解,并為設計用于鈉離子電池的高穩定性層狀正極提供了新的見解。
周豪慎/郭少華Adv. Sci.:協同陰陽離子氧化還原獲得高穩定層狀正極
圖3. 正極的結構演變
Synergetic Anion–Cation Redox Ensures a Highly Stable Layered Cathode for Sodium-Ion Batteries. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202105280

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