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近日，燃料電池研究所章俊良教授團(tuán)隊(duì)在Journal of the American Chemical Society上發(fā)表題為“Constraining Interlayer Slipping in P2-Type Layered Oxides with Oxygen Redox by Constructing Strong Covalent Bonds”的研究論文，揭秘鈉離子電池正極在充放電過程中的晶格滑移機(jī)理。燃料電池研究所博士生蔡鑫胤為第一作者，章俊良教授、祖麗皮亞·沙地克副教授和復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系周永寧教授為通訊作者。
基于陰離子氧化還原的鈉離子電池正極材料能夠突破傳統(tǒng)正極的能量密度極限，但陰離子電荷補(bǔ)償引起的結(jié)構(gòu)不可逆相轉(zhuǎn)變卻對(duì)電極材料離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和充放電循環(huán)壽命帶來不利的影響。為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備新型P2-Na2/3Li1/4Sb1/12Mn2/3O2正極材料，通過利用Sb元素的強(qiáng)離子電勢(shì)構(gòu)建穩(wěn)固的Sb?O共價(jià)鍵，抑制充電過程中的晶格滑移，使電池正極材料在充電過程中只發(fā)生Z相轉(zhuǎn)變，緩解晶格層間應(yīng)力，降低Na離子擴(kuò)散勢(shì)壘，實(shí)現(xiàn)電池快充。
研究結(jié)合了多模態(tài)表征技術(shù)，通過球差電子顯微鏡將充放電過程中的Z相滑移可視化；利用同步輻射X射線吸收譜技術(shù)探究正極材料電荷補(bǔ)償機(jī)理，并揭示錳和氧原子周圍局部結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。為了評(píng)估電池的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)將Sb元素修飾的正極材料組裝成軟包電池，基于正極的能量密度高達(dá)487 Wh kg?1，輸出電壓可達(dá)3.4 V，在實(shí)驗(yàn)室成功點(diǎn)亮LED燈帶。
綜上所述，研究通過引入強(qiáng)離子電勢(shì)的Sb元素對(duì)鈉離子電池正極材料摻雜修飾，抑制充電過程中的晶格滑移，提高材料層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，構(gòu)筑穩(wěn)定的離子擴(kuò)散通道，實(shí)現(xiàn)電池快充。該研究聚焦鈉離子電池層狀氧化物正極材料在陰離子氧化還原過程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，揭示了充放電過程中正極結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變規(guī)律和氧原子電子結(jié)構(gòu)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，為開發(fā)高比能鈉離子電池正極材料提供了重要的思路。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.4c14587
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