第一作者：Tianwei Cui

通訊作者：李翔，付永柱

通訊單位：鄭州大學(xué)

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用于鈉離子電池（SIBs）的O3型層狀氧化物由于其固有的充足Na含量而引起了廣泛的關(guān)注，被認為是實際應(yīng)用中最有前途的候選材料之一。然而，受不可逆氧損失和O3–P3相變的影響，O3型陰極總是受到低截止電壓（通常4.2 V）的限制，這限制了其容量的完全釋放。

本論文提出了一種新型的O3型Na_0.8Li_0.2Fe_0.2Ru_0.6O₂陰極材料，用于4.5V鈉離子電池（SIBs），其通過雙還原耦合機制顯著提高了高電壓區(qū)域下氧還原的可逆性。研究發(fā)現(xiàn)，通過形成強共價Fe/Ru?(O?O)鍵和抑制從O到P相的片層滑移，該陰極在4.5V的高電壓下展現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)100次后的容量保持率為95.4%（1.5?4.5 V）。

此外，通過HAADF-STEM和⁷Li固態(tài)核磁共振（NMR）結(jié)果揭示了過渡金屬遷移的缺失和可逆鋰遷移的存在，進一步增強了陰極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該研究為提高陰離子還原的可逆性和實現(xiàn)穩(wěn)定的高電壓O3型層狀氧化物提供了創(chuàng)新策略，推動了SIBs的進一步發(fā)展。

圖文導(dǎo)讀

圖1：NLFR的結(jié)構(gòu)表征。

圖2：電化學(xué)性能

圖3：NLFR的結(jié)構(gòu)演變

總結(jié)展望

本研究成功設(shè)計了一種新型O3型陰極材料Na_0.8Li_0.2Fe_0.2Ru_0.6O₂，實現(xiàn)了4.5V級超穩(wěn)定鈉離子電池。通過原位/非原位XRD結(jié)果揭示了O3?P3相變的抑制，以及通過HAADF-STEM和⁷Li SS-NMR結(jié)果證實了過渡金屬遷移的缺失和可逆鋰遷移的存在。

尤為重要的是，通過XANES和XPS分析，研究人員證實了Fe/Ru雙還原耦合機制可在深度脫鈉過程中觸發(fā)，得益于強共價Fe/Ru?(O?O)鍵的形成，其有助于提高陰離子還原的可逆性。因此，即使在4.5V的高截止電壓下，該陰極也展現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性。

據(jù)作者所知，即使在如此高的截止電壓下，NLFR電極仍展現(xiàn)了O3型陰極材料的優(yōu)異性能。最后，通過與硬碳陽極組裝的全電池評估了陰極的潛在實際應(yīng)用性。這項工作為提高陰離子還原的可逆性提供了一種通用策略，并為設(shè)計穩(wěn)定的高電壓層狀氧化物陰極材料打開了新的大門。

文獻信息

標題：Facilitating an Ultrastable O3-Type Cathode for 4.5 V Sodium-Ion Batteries via a Dual-Reductive Coupling Mechanism

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c01787