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侴術(shù)雷/肖遙AEM：通過(guò)調(diào)節(jié)局部化學(xué)的應(yīng)變工程獲得高性能鈉電正極

具有三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈉離子氧化物正極引起了廣泛的關(guān)注，因?yàn)榭梢岳貌煌嗟膮f(xié)同作用來(lái)提高鈉的儲(chǔ)存性能。然而，由于在充放電過(guò)程中的層間滑動(dòng)，復(fù)合結(jié)構(gòu)通常會(huì)遭受多次不可逆相變和高晶格應(yīng)變。

在此，溫州大學(xué)侴術(shù)雷教授、肖遙教授等人提出了一種基于調(diào)節(jié)局部化學(xué)的應(yīng)變工程策略來(lái)調(diào)節(jié)納米材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，這是一種抑制相變和降低晶格應(yīng)變的有效技術(shù)，可用于改善鈉離子電池（SIBs）的電化學(xué)性能。具體而言，作者重點(diǎn)研究了兩種通過(guò)簡(jiǎn)單的熱聚合方法制備的三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)氧化物正極材料 Na_0.5Ni_0.2Co_0.15Mn_0.65O₂（LLS-NaNCM）和Na_0.5Ni_0.05Co_0.15Mn_0.65Mg_0.15O₂（LLS-NaNCMM15），通過(guò)原位充放電XRD分析兩種正極材料循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變。

結(jié)果表明，LLS-NaNCM電極在充放電過(guò)程中經(jīng)歷了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)演化（P2/P3/尖晶石→P2/P3”/尖晶石→P2/P3/尖晶石→P2’/P3”/尖晶石），而LLS-NaNCMM15電極在Na⁺嵌入/脫嵌過(guò)程中在4.0和4.3 V的不同截止電位下表現(xiàn)出簡(jiǎn)化的相變（P2/P3/尖晶石→P2/P3″/尖晶石）。

圖1. LLS-NaNCMM15的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)表征

此外，作者通過(guò)各種結(jié)構(gòu)表征確定了三相異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。取代鎂元素可操縱化學(xué)環(huán)境抑制晶格應(yīng)變從而提高結(jié)構(gòu)可逆性，這一點(diǎn)通過(guò)優(yōu)異的電化學(xué)性能和定量的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)。研究表明，LLS-NaNCMM15正極的儲(chǔ)鈉機(jī)制以電容特性為主。當(dāng)充電至4.3 V時(shí)，LLS-NaNCMM15電極在0.2 C時(shí)的容量達(dá)到169.4 mAh g^-1。

此外，LLS-NaNCMM15正極還表現(xiàn)出卓越的倍率性能，在2 C倍率下仍能提供高達(dá)117.1 mAh g^-1的容量。在5 C倍率下，該正極100次循環(huán)后仍具有119.2 mAh g^-1的高容量，對(duì)應(yīng)于65.6%的容量保持率?？傊@項(xiàng)研究揭示了調(diào)控局部化學(xué)以實(shí)現(xiàn)正極材料應(yīng)變工程的機(jī)制，并為進(jìn)一步改進(jìn)高性能SIBs鋪平了道路。

圖2. LLS-NaNCMM15電極在1.5~4.3 V范圍內(nèi)的電化學(xué)性能

Strain Engineering by Local Chemistry Manipulation of Triphase Heterostructured Oxide Cathodes to Facilitate Phase Transitions for High-Performance Sodium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201511

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