【能源】表面介电极化与体相位点选择性掺杂协同抑制钠离子电池正极材料氧演变过程- 大数跨境

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2023-01-11

导读：苏州大学张亮教授课题组联合北京理工大学曹端云研究员以及杭州师范大学赵宇教授课题组提出通过对钠离子电池正极材料表面介电极化包覆与体相位点选择性掺杂，有效改善了钠离子电池正极材料在利用氧阴离子氧化还原过程

钠离子电池因钠资源丰富、分布广泛且成本低廉等诸多优点被认为是最具有前景的新型二次电池体系之一。在利用钠离子电池正极材料中的金属阳离子提供电池容量的同时，引入高电压下氧阴离子的氧化还原能有效提高钠离子电池正极材料的能量密度与充放电容量。然而，对于钠离子电池正极材料而言，氧的氧化还原往往伴随着不可逆的氧演变与氧气释放问题。这导致了大部分报道的具有氧阴离子氧化还原的高能量密度正极材料往往在高电压下表现出容量衰减快、电池寿命短等缺点，难以将氧阴离子的氧化还原实际应用于钠离子电池的商业化发展。

图1. 钠离子电池正极材料氧演变与氧气释放示意图以及改性策略。

苏州大学张亮教授课题组联合北京理工大学曹端云研究员以及杭州师范大学赵宇教授课题组提出通过对钠离子电池正极材料表面介电极化包覆与体相位点选择性掺杂，有效改善了钠离子电池正极材料在利用氧阴离子氧化还原过程中面临的氧演变与氧气释放问题。该策略通过介电材料CaTiO₃对电池正极进行表面包覆，不仅在物理层面阻挡氧气的释放，而且在充放电时利用介电效应产生的反向电场有效抑制了材料内部氧向表面的迁移，进而阻止了氧的进一步演变。同时，该策略引入了具有高键能的Ca-O与Ti-O键，有效地稳定了正极材料在充放电时的金属-氧框架结果，提高了正极材料的结构稳定性。结合同步辐射X射线吸收谱、同步辐射X射线衍射谱、原位X射线衍射谱、理论计算等技术，充分证明了通过该策略改性后的正极材料在充放电过程中的氧演变与氧气释放问题得到了有效调控。此外，该策略也有效改善了电池正极材料在充放电时的相转变问题、减少了材料表面界面处的副反应、提高了正极材料的空气稳定性。得益于以上优点，改性后电池的电化学性能与循环稳定性显著提高。

图2. 多重同步辐射X射线谱学表征揭示正极材料电荷补偿机制。

简而言之，该策略有效地抑制了正极材料表面氧气释放，改善了材料在充放电循环过程中氧演变问题，获得了能有效利用氧阴离子参与氧化还原的钠离子电池正极材料。改性后正极材料的优异电化学性进一步证实了该策略的实际应用前景。相关成果发表在国际知名期刊Advanced Materials。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Suppressing the Dynamic Oxygen Evolution of Sodium Layered Cathodes through Synergistic Surface Dielectric Polarization and Bulk Site-Selective Co-Doping

Xiao Xia, Tong Liu, Chen Cheng, Hongtai Li, Tianran Yan, Haolv Hu, Yihao Shen, Huanxin Ju, Ting-Shan Chan, Zhenwei Wu, Yuefeng Su, Yu Zhao, Duanyun Cao, Liang Zhang

Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202209556

导师介绍

张亮

https://www.x-mol.com/university/faculty/80061