Eine luftstabile einkristalline Schichtoxidkathode basierend auf multifunktionaler Strukturmodulation

Natriumionenbatterien (SIBs) gelten aufgrund ihrer überlegenen Sicherheitseigenschaften, ihres niedrigen Preises und ihrer reichlichen Natriumversorgung als vielversprechendes Energiespeichersystem, während die Entwicklung von Elektrodenmaterialien eine entscheidende Rolle für die Leistung von SIBs spielt.

P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 ist ein typisches Schichtoxid-Kathodenmaterial für SIBs, das sich durch seine einzigartigen Strukturmerkmale auszeichnet, die schnelle Ionentransportwege und niedrigere Diffusionsbarrieren für Na+-Ionen ermöglichen. Infolgedessen hat es bei zahlreichen Forschern große Aufmerksamkeit erregt.

Dieses Material steht jedoch auch vor Herausforderungen wie komplexen Mehrphasenübergängen und irreversiblen Anionen-Redoxprozessen, die seine elektrochemische Leistung einschränken. Daher ist es dringend erforderlich, wirksame Strategien zur Modifizierung dieses Materials zu entwickeln, um seine Praktikabilität zu verbessern.

Jetzt in einer aktuellen Studie veröffentlicht In Wissenschaft China ChemieUnter der Leitung von Professor Yao Xiao vom College of Chemistry and Materials Engineering der Universität Wenzhou hat ein Forscherteam eine Strategie zur Steigerung des Einkristallwachstums durch Ti-Substituierung vorgeschlagen und einen hydrostabilen ~10 μm großen Einkristall P2-Na2/ entworfen. 3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2 Kathodenmaterial als Prototyp.

„Nach dem Gesetz von Vegard wird der Gitterparameter durch die Bestandteile mit ähnlicher absoluter Vegard-Steigung des Systems verändert. Andernfalls können die konzentrierten Dotierstoffe an die Oberflächen wandern und einen eutektischen Film erzeugen, der einen niedrigeren Schmelzpunkt als die beiden reinen Komponenten hat. „Das wirkt sich positiv auf die Atomdiffusion und das Kristallwachstum an der Grenzfläche aus. Daher liegt die Vermutung nahe, dass Ti4+ mit größeren Vegard-Steigungen das Kristallwachstum von Kathoden fördern könnte“, sagt Xiao.

Die Studie konzentrierte sich auf den Bildungsprozess, das elektrochemische Verhalten, die Strukturentwicklung und die Luftstabilität von P2-Na2/3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2 mithilfe fortschrittlicher Charakterisierungstechniken und untersuchte die Beziehung zwischen seiner Struktur, Funktion und Eigenschaften.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Substitution von Ti für die Erzeugung großer Körner, die Unterdrückung mehrerer Phasenübergänge und die Hemmung des irreversiblen Anionenredoxes durch Strukturregulierung von Vorteil ist. Das erhaltene Material weist nicht nur eine hohe Energiedichte auf und liefert eine gute Zyklusleistung, sondern verbessert auch die Na+-Transportkinetik und die Luftstabilität erheblich.

Insgesamt kann diese Studie Einblicke in die multifunktionale Strukturmodulation für die Entwicklung leistungsstarker, natriumbasierter Schichtkathodenmaterialien für praktische Anwendungen liefern.