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改善O3型正极材料的空气稳定性

改善O3型正极材料的空气稳定性

随着锂离子电池不足的逐渐显露,人们对钠离子电池的研究越来越多。在众多正极材料候选物中,O3型Na基层状过渡金属氧化物NaTMO2(其中TM =过渡金属,例如Co,Ni,Mn,Fe等)被认为是最有潜力的候选物之一,因为它们具有良好电化学活性,并且合成过程简单。然而,当暴露于空气中时,O3型正极的容量由于Na的自发萃取和过渡金属的氧化等迅速降低。另外,空气稳定性差大大提高了材料储存、运输和电池制造的成本,从而限制了O3型氧化物的实际应用。近期,中科院化学所等提出一种组合结构调制的方法,即通过降低Na的层间距并同时提高过渡金属的价态,改善了O3型金属氧化物空气稳定性差的问题。该成果发表在JACS(IF=13.038)上。

改善O3型正极材料的空气稳定性

图1.(a)NaNCMT的SEM图像。(b)NaNCMT的EDS图。(c)NaNM和(d)NaNCMT的XRD数据的Rietveld修正模式。

注:NaNMT: NaNi0.5Mn0.4Ti0.1O2

 

作者通过用费米能级几乎不同的Ti^4+来代替Cu^2+以实现NaNM的调制,而不是用Ni^2+/Mn^4+。通过Rietveld修复,电化学和XPS测试(Na层间距从3.45缩小至3.37Å,OCV从3.68增加到3.82V)。所得NaNCMT比NaNM在稳定的曝气时间内增加了20倍,甚至浸泡在水中后保持了原有的结构和容量。此外,电荷排序和复杂的相变在循环过程中都被有效地抑制。因此在500次循环后,NaNCMT的容量保留几乎是NaNM的9倍。

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图2.(a)在0.1C下的第一次充电/放电曲线。(b)在1C下的循环稳定性和库仑效率图。(c)评估样品的倍率性能。(d)在恒定0.5C充电倍率下,放电倍率从0.1C到10C间NaNCMT的放电曲线。

 

通过组合结构调制法,解决了O3型Na基层状过渡金属氧化物空气稳定性差的问题。这种方法操作简单,效果好,为开发高性能O3型正极铺平了道路,将成为NIB大规模应用的里程碑。

 

Hu-Rong Yao, Peng-Fei Wang, Yue Gong, JienanZhang, Xiqian Yu, Lin Gu, Chuying OuYang, Ya-Xia Yin, Enyuan Hu, Xiao-QingYang, Eli Stavitski, Yu-Guo Guo, Li-Jun Wan; Designing Air-Stable O3-TypeCathode Materials by Combined Structure Modulation for Na-Ion Batteries; DOI: 10.1021/jacs.7b05176


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