Nano Energy: 原位合成異質外延的層狀氧化物的鈉離子正極材料

【引言】

目前商業化應用主要能源電池是鋰離子電池。但是世界上鋰的含量相對較少，鋰離子的電池的價格相對較高。因此，開發新型的能源電池是目前研究的主要目標。鈉離子電池與鋰離子電池相比具有儲量豐富、價格低廉、和更高的可持續發展優勢。其中，二維的層狀氧化物Na_xTMO₂(TM=Fe，MN，Co，Ni，etc.)的高的比容量和可逆性能成為良好的鈉離子正極材料。但是，Na_xTMO₂的不同氧化物類型具有不同的性能。其中，O3相在高電壓區間的穩定性和倍率性能較差。相對來講，P2相具有很好的穩定性和倍率性能，但是其比容量較低。因此，Li替代Na_xTMO₂材料中一部分Na，形成Na基的O-和P-混合相與Li-O3相，這種混合結構既具有良好的循環性能和倍率性能，也具有較高的比容量，解決了其作為鈉離子正極材料的短板。

【成果簡介】

中南大學粉末冶金研究院韋偉峰研究員、南京大學王鵬教授（共同通訊作者）等人，采用原位的異質外延法制備了Na-P3/Li₂MnO₃鈉離子電池正極材料。研究發現，Li₂MnO₃材料的原位形成改變了相鄰的Na-P3的晶型及其化學性能，因而形成了交互的Na-P3/Li-O’3的異質外延的納米結構。在1.5-4.5V的電壓區間內，該材料在鈉離子電池中的循環比容量能夠達到210mAh.g^-1。相關成果以“Tailoring Alternating Heteroepitaxial Nanostructures in Na-ion Layered Oxide Cathodes via an in-situ Composition Modulation Route” 發表了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1 Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合材料的XRD圖譜及其模型

(a) Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合材料的XRD圖譜；(b)是圖(a)在15.5° 到 16.5° 和 64.5° 到66°之間的放大圖；(d) Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合材料的精修晶體模型。其中，Li的替換導致Na-P3晶體的空間群由R-3m轉變成C2/m。其中，(003)的晶面間距減小，(110)的晶面間距增大。Na-P3相的c軸由原來的16.724 ?增加到16.840 ?。

圖2 Na-P3/Li-O’3復合相的HAADF-SEM圖和EDS圖。

圖3 Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合相的電化學性能

(a) 在0.1 C (1 C = 200 mA g^-1)的電流密度下，Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合相的首次充放電圖；(b) Na-P3相的CV曲線；(c) Na-P3/Li-O’3復合相的CV曲線；(d) 在0.1C下，Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合相的循環性能；(e) 在0.1C下，Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合相的倍率性能。

圖4 Na-P3相和Na-P3/Li-O’3復合相的原位充放電XRD圖。

(a) 不同充電條件下純的Na-P3相的XRD圖譜；(b) 不同充電條件下Na-P3/Li-O’3復合材料；(c) 兩電極的充放電簡圖；(d) Na-P3相中Na⁺的嵌入和脫出的簡化模型。

【總結】

異質外延法制備的交替的層狀Na-P3/Li-O’3復合材料能夠提高Na-P3正極材料的可逆性，倍率性能和循環性。關于Na-P3/Li-O’3復合材料的制備，為其他層狀氧化物正極材料的制備提供了合成方法。

【文獻信息】

文獻鏈接：Tailoring Alternating Heteroepitaxial Nanostructures in Na-ion Layered Oxide Cathodes via an in-situ Composition Modulation Route (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.12.014)

【通訊作者簡介】

韋偉峰教授：博士，中南大學“升華學者”特聘教授、博士生導師，中組部“千人計劃” 青年項目（2012）、教育部“新世紀優秀人才計劃”（2011）獲得者。現為美國化學學會會員，美國材料研究學會會員，美國電化學學會會員，美國陶瓷學會會員。

王鵬教授，首批國家青年千人計劃入選者，現為南京大學現代工程與應用科學學院教授。研究專長為利用球差校正的掃描透射電子顯微鏡成像技術和電子能量損失能譜來研究材料原子尺度上的結構以及性能，成功的研究確定了量子點，石墨烯，納米線等一系列新型納米材料的二維和三維結構。獨立開發的掃描共聚焦電子成像技術首次突破了三維立體圖像在層析方向上小于10納米并有化學選擇性的層析度。研究方向主要側重于開發新的電子成像技術來實現新型納米結構和原子級結構的三維重建以及決定其化學成分在三維結構中的分布。

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本文由材料人編輯部張金陽編譯，黃超審核。

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