【材料】层间阳离子排序对钠离子在P2型Na0.67−XLiyNi0.33−zMn0.67+zO2中传输的影响- 大数跨境

【材料】层间阳离子排序对钠离子在P2型Na0.67−XLiyNi0.33−zMn0.67+zO2中传输的影响

X-MOL资讯

2024-05-25

导读：熊晖教授课题组联合加州大学圣地亚哥分校Shyue Ping Ong课题组及美国橡树岭国家实验室的Naresh Osti博士和刘珏博士课题组通过 Li+ 掺杂 P2 型 Na2/3Ni1/3Mn2/3O

由于钠资源储量非常丰富且成本低廉，钠离子电池被认为是下一代大规模储能系统的一项有吸引力的技术，可支持基于可再生能源的可靠、稳健且经济高效的电网太阳能和风能等能源，同时它也被展望能作为电动车领域里除锂离子电池技术外的替代选择。在所有研究的正极材料中，分子式为NaxTMO₂（x = 1，TM=过渡金属）的层状钠过渡金属氧化物由于其密堆积结构的相对较高的容量而广受关注。P2 型 Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂ (PNNMO) 因其良好的循环稳定性，并且在空气中稳定而受到集中的研究。PNNMO 中Ni和Mn 1:2的组成比以及Ni²⁺和Mn⁴⁺之间的尺寸和价态差异促进了每个TM层内TM离子的层内蜂窝状排序以及Na⁺和空位在Na⁺层中的“大之字形”(LZZ) 排序。Na⁺/空位排序通常被认为是 Na⁺ 快速传输的主要障碍，并且可能受到过渡金属排序的影响。PNNMO 表现出 Ni 和 Mn 的层内过渡金属排序以及层内 Na⁺/空位排序。目前研究主要是通过阳离子取代或掺杂来破坏 Na⁺/空位的排序，实现对其结构和倍率性能的调控。

近日，美国博伊西大学熊晖 (Claire Xiong) 教授Electrochemical Energy Materials Laboratory (EEML) 课题组联合加州大学圣地亚哥分校Shyue Ping Ong教授课题组及美国橡树岭国家实验室的Naresh Osti博士和刘珏博士课题组通过 Li⁺掺杂 P2 型 Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂ 首次实现了层间阳离子排序的可控调节，并且促进了 Na⁺ 在该类型材料里的高速扩散。通过非原位中子散射 (NPD)、准弹性中子散射 (QENS) 以及理论计算 (DFT) 探究了层间阳离子排序对钠离子的传输机理的影响。其结果表明，可控 Li 掺杂可以在不破坏 Na⁺ 空位有序的情况下改变 Ni/Mn 的面间有序，使 Na⁺ 在 Li 掺杂结构的扩散率提高一个数量级。该文章发表在国际顶级期刊 Journal of the American Chemical Society 上。Eric Gabriel 为本文第一作者。

图1. Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂ 结构示意图以及实验和模拟中子衍射图

图2. 团簇层错模型模拟中子衍射图（a）及根据团簇层错模型的Na_2/3Li_0.05Ni_1/3Mn_2/3O₂ (LFN5)中子衍射精修图 (b)

图3. 理论计算 Na⁺ 扩散路径以及不同结构能量差

图4. PNNMO、LFN5 以及 NM13 的电化学性能

综上，不同于破坏Na⁺/空位的排序的策略，本文通过模拟计算和实验研究首次提出通过控制成分来调控层间TM排序，并且层间TM排序对Na⁺扩散的影响可能与Na⁺/空位排序的影响相同或更大。本文提出了一个用于定量识别层内TM混合以及层间TM堆垛层错密度的模型。研究结果表明，锂掺杂可以在不破坏Na⁺/空位的排序下促进层间阳离子ABC型排序并创建低能量的Li-Mn扩散路径，从而提高传输速率。这对于钠离子电池的性能优化和设计具有重要意义。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Influence of Interlayer Cation Ordering on Na Transport in P2-Type Na_0.67–xLi_yNi_0.33–zMn_0.67+zO₂ for Sodium-Ion Batteries

Eric Gabriel, Zishen Wang, Vibhu Vardhan Singh, Kincaid Graff, Jue Liu, Cyrus Koroni, Dewen Hou, Darin Schwartz, Cheng Li, Juejing Liu, Xiaofeng Guo, Naresh C. Osti, Shyue Ping Ong, and Hui Xiong

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c00869

熊晖教授简介

Claire Xiong(熊晖)，美国博伊西州立大学教授，博士生导师，美国陶瓷学会会士，皇家化学会会士。于匹兹堡大学取得分析化学/电化学博士学位，2008至2012年，于哈佛大学和阿贡国家实验室进行博士后研究工作。长期从事能源化学与能源材料的研究。近年来，致力于将产业化需求与基础研究相结合，重点研究先进功能材料的缺陷化学及界面化学, 在储能领域取得了众多显著成果，在 Nature Materials, Nature Communications, ACS Energy Letters, PNAS, JACS, ACS Nano 等发表多篇顶级 SCI 期刊论文。担任 Clean Energy, Energy Science &Engineering 期刊编委。担任 Journal of Materials Chemistry A, Materials Advances期刊 Advisory Board 成员。曾获得NSF CAREER Award, Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators等荣誉。

与此同时，课题组与美国国家实验室（阿贡，爱达荷，PNNL, 劳伦斯伯克利，Oak Ridge, Los Alamos, Sandia, Brookhaven）及其他大学有长期密切合作，欢迎具有电化学、材料化学热情的同学加入EEML。有意者请将个人简历及相关信息发送到邮箱：clairexiong@boisestate.edu

https://www.x-mol.com/university/faculty/60953

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