设计钠离子电池的分层氧化物材料

钴酸锂是一种层状金属氧化物，在开发可充电电池方面引起了极大的关注。由于钠的自然丰度，钠离子电池可以存储网格规模的能量。组成可以决定电化学性能的结构化学，但是，由于组成复杂，结果很难预测。现在在有关科学的新报告中赵成龙和中国科学院，美国哈佛大学，荷兰代尔夫特理工大学和加拿大多伦多大学的国际科学家团队介绍了一种“阳离子潜力”，以捕捉与分层材料并预测最终的堆叠结构。该团队展示了堆叠体系结构如何确定功能特性，从而为开发用于电能存储的碱金属层状氧化物提供解决方案。

分层收费

研究人员必须开发可持续的电能存储系统，以满足整合间歇性可再生能源的需求。与锂(Li)离子电池相比，钠(Na)的丰富性和低成本使得Na-离子电池成为智能电网和大规模储能的理想替代品。自1980年以来，锂离子层状电池就代表了电极材料的主要家族;美国材料科学家JBGoodenough偶然将其开发为一种新的阴极材料，最终于2019年与M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino共同获得了诺贝尔化学奖。一种或多种过渡金属(TM)元素可以促进与锂离子(脱)嵌入相关的氧化还原反应。例如，材料科学家可以从边缘共享的过渡金属氧化物(TMO 6)八面体构建层状结构，以形成重复层，其中锂离子可以放置在八面体氧环境中，以观察O型堆叠。这种结构提供了高成分多样性和可调节的电化学性能，并改善了电荷。

开发钠离子电池。

层状氧化物为寻找钠(Na)离子电池的电极提供了自然的起点。但是，除了Na型氧化物的O型堆积外，还可能发生P型堆积，其中P型是指棱柱形Na离子配位，电极性能明显不同。研究人员已经研究了各种P2型(六角形)和O3型(菱形)钠离子层状氧化物，以寻找具有良好化学和动态稳定性以及高Na储存性能的电极。然而，尚未有有效的指导方针来设计和制备适用于钠离子电池的最佳电极材料。

赵等。因此，它针对层状氧化物的简单描述，并通过定义“阳离子电势”将其归一化为离子电势阴离子，表示了阳离子密度及其极化率的程度。然后他们以阳离子电位为指导，通过控制钠含量和过渡金属组成来设计特定的堆叠结构。首先，他们使用了锰基层状氧化物阴极(NaLi 1/3 Mn 2/3 O 2)，而理论计算表明该化合物在O3型结构中是稳定的，该组合物本身仍需以该方向进行实验制备。赵等。因此，通过用锰离子(Mn 4+)替换为含有较低离子电势的钛阳离子(Ti 4+)来形成钛基层状氧化阴极，从而降低了阳离子电势作为通过实验获得预期的O3型结构的可能途径(NaLi 1/3 Ti 1/6 Mn 1/2 O 2)处于预期的O3型结构。研究小组使用X射线衍射图证实了结果，显示出层状的岩盐结构，其中过氧化钠(NaO 2)层与混合的钛基层状氧化物(Li 1/3 Ti 1/6 Mn 1/2 O 2)交替出现。

然后，研究小组使用阳离子电势设计了一种P2型结构，该结构旨在以异常高的Na含量为目标，该方法像以前一样从锰基层状氧化物阴极(NaLi 1/3 Mn 2/3 O 2)开始。在这种情况下，为防止形成O3型结构，他们通过增加过渡金属位点的离子电势来增加阳离子电势。所得组合物维持成功制备的具有高钠含量的P2-型结构，并且还具有大于200毫安小时(mAh)g -1的更高容量的电荷。研究小组将阳离子电势扩展到其他碱金属层状氧化物，包括锂和钾离子，其中产生的阳离子电势从钾到钠再到锂增加。这项工作表明，相对于特定的组成要求，阳离子电势如何可以预测新型钠/过渡金属氧化物层状材料的结构。

这样，赵成龙及其同事证明了离子势是离子极化的一种量度，以反映静电能对系统的影响。该小组提出了阳离子电势方法，以区分和设计用于钠离子层状氧化物的材料。但是，此处开发的阳离子电势方法不适用于多种条件，包括机械研磨产生的无序化合物或在特定条件下制备的氧化物。阳离子电势仅能预测所提议的材料是否会以P型或O型结构结晶。该团队旨在进一步了解结构信息，以决定相应的材料相对于材料工程中的特定成分要求是否稳定或实用。

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