李福军Nat. Commun.:调整P2层状氧化物的局部化学性质以提升钠离子电池的能量密度和寿命

newbee

2021-04-15

钠离子电池（SIB）由于其成本低廉和资源分布广泛而被认为是一种适用于大规模储能和智能电网的下一代电池技术。电池的性能和成本主要受所用正极材料所影响目前主要有层状过渡金属氧化物，磷酸盐，普鲁士蓝类似物等。其中，层状过渡金属氧化物在钠离子电池正极材料中延期最为广泛。但是，由于过渡金属层在钠离子插入脱出时会发生滑动而导致相变使得容量不稳定，这严重阻碍了它们的发展。为了应对这一挑战，近日，南开大学化学学院李福军研究员等人报道了一种将大尺寸的K⁺铆接在P2-Na_0.612K_0.056MnO₂的棱形Na⁺位中，产生了热力学上更有利的Na⁺空位。

文章要点

1）将138 pm的大直径K⁺铆接在P2-Na_0.612K_0.056MnO₂中Na⁺的边缘共享位点上，这导致Na_0.612K_0.056MnO₂中的晶片间距离仅为0.56 nm，使得在K⁺具有高的扩散势垒，因此结构稳定。

2）Na-O键强度和Na⁺空位形成能降低，可供更多的Na⁺的嵌入脱出。增强的MnO₆-八面体层有利于P2-Na_0.612K_0.056MnO₂的结构稳定。

3）原位X射线衍射（XRD）表明，在循环过程中，高充电电压下不会出现不可逆的相变。实验证明，该材料以Mn³⁺/Mn⁴⁺作为氧化还原对，具有240.5 mAh g^-1的高比容量，以及654 Wh kg^-1的高能量密度，具有良好的循环稳定性和倍率性能。

4）Mn-O键得到增强，减少了充电和放电过程中的相变，其在低电压下仅发生P2<->P’2的两相转变。

参考文献

Chenchen Wang et al. Tuning local chemistry of P2 layered-oxide cathode for high energy and long cycles of sodium-ion battery. Nature Communications volume 12, Article number: 2256 (2021)

DOI: 10.1038/s41467-021-22523-3

http://doi.org/10.1038/s41467-021-22523-3