具有二元或三元相的層狀鈉過渡金屬氧化物NaTMO2（TM；過渡金屬）作為新型鈉離子電池（SIBs）戰(zhàn)略正極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，但仍然缺乏對其內(nèi)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的精確和全面的理解。
阿貢國家實驗室陸俊、韓國浦項加速器實驗室Docheon Ahn、蔚山國家科學(xué)技術(shù)研究所Tae Joo Shin、世宗大學(xué)Kee-Sun Sohn等對自己開發(fā)的Na1-xTMO2正極材料，即同時具有P2型和O3型相的Na0.76Ni0.20Fe0.40Mn0.40O2(NFMO-P2/O3)進行了深入的相分析。
這項工作提供了原子尺度的結(jié)構(gòu)可視化，并揭示了以下發(fā)現(xiàn)：(i)NFMO-P2/O3存在混合相共生層分布以及P2和O3相沿兩個不同晶面指數(shù)的不均勻分布；(ii)初始兩個循環(huán)的完全可逆充電/放電過程顯示出前所未有的簡單相變。此外，第一性原理計算方法支持在提出的假設(shè)單相結(jié)構(gòu)（O3、P3、O?3和P2相）上形成二元NFMO-P2/O3化合物的證據(jù)。
圖2 NFMO-P2/O3正極在循環(huán)過程中的原位同步輻射XRD圖譜
研究顯示，P型和O型相的同時存在及其獨特結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)允許在很寬的電壓范圍(1.5-4.5 V)內(nèi)保持非凡的電化學(xué)性能：0.1 C時最大充電容量為171.5 mAh g-1；并且，在0.1 C下循環(huán)100次后容量保留率為73.5%。
目前的結(jié)果表明，在二元P2/O3相化合物中存在混合的共生層狀結(jié)構(gòu)有利于Na離子擴散，從而實現(xiàn)高效的電化學(xué)過程，且不會發(fā)生結(jié)構(gòu)畸變。作者相信，對二元P2/O3相材料的深刻理解可以為SIBs的高壓正極材料的開發(fā)帶來新的視角。
圖3 NFMO-P2/O3正極與NFMO-P2和NFMO-O3正極的電化學(xué)性能對比
Unravelling the Nature of the Intrinsic Complex Structure of Binary Phase Na-layered Oxides. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202137
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