Une cathode d’oxyde en couches monocristalline stable à l’air basée sur une modulation structurelle multifonctionnelle

Les batteries sodium-ion (SIB) sont considérées comme un système de stockage d’énergie prometteur en raison de leurs propriétés de sécurité supérieures, de leur faible prix et de leurs réserves abondantes de sodium, tandis que le développement de matériaux d’électrode joue un rôle essentiel dans les performances des SIB.

Le P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 est un matériau de cathode d’oxyde en couches typique pour les SIB, caractérisé par ses caractéristiques structurelles uniques qui offrent des voies de transport rapides des ions et des barrières de diffusion plus faibles pour les ions Na+. C’est pour cette raison qu’il a retenu l’attention de nombreux chercheurs.

Cependant, ce matériau est également confronté à des défis tels qu’une transition multiphasique complexe et des processus redox anioniques irréversibles, qui limitent ses performances électrochimiques. Il est donc urgent de développer des stratégies efficaces pour modifier ce matériel afin d’en améliorer la praticité.

Or, dans une étude récente publié dans Science Chine Chimiedirigée par le professeur Yao Xiao du Collège de chimie et de génie des matériaux de l’Université de Wenzhou, une équipe de chercheurs a proposé une stratégie consistant à stimuler la croissance monocristalline par substitution du Ti et a conçu un monocristal hydrostable d’environ 10 μm P2-Na2/ Matériau cathodique 3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2 comme prototype.

« Selon la loi de Vegard, le paramètre de réseau est modifié par les constituants ayant une pente de Vegard absolue similaire du système. Sinon, les dopants concentrés peuvent migrer vers les surfaces et créer un film eutectique qui a un point de fusion inférieur à celui des deux composants purs, « , ce qui est bénéfique pour la diffusion atomique à l’interface et la croissance cristalline. Par conséquent, il est raisonnable de soupçonner que Ti4+ avec des pentes de Vegard plus grandes pourrait favoriser la croissance cristalline des cathodes », explique Xiao.

L’étude s’est concentrée sur le processus de formation, le comportement électrochimique, l’évolution structurelle et la stabilité dans l’air du P2-Na2/3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2 grâce à des techniques de caractérisation avancées, et a exploré la relation entre sa structure, sa fonction et ses propriétés.

Les résultats ont montré que la substitution du Ti est bénéfique pour générer des grains de grande taille, supprimer les transitions de phase multiples et inhiber le rédox irréversible des anions grâce à la régulation structurelle. Le matériau obtenu présente non seulement une densité énergétique élevée et offre de bonnes performances de cycle, mais améliore également considérablement la cinétique de transport du Na+ et la stabilité de l’air.

Dans l’ensemble, cette étude pourrait fournir un aperçu de la modulation structurelle multifonctionnelle pour le développement de matériaux cathodiques en couches à base de sodium haute performance pour des applications pratiques.