Small Structures:{010}晶面导向纳米片助力高电压P2型正极材料反应动力学及高功率钠离子电池

钠具有与锂相似的物化特性并且储量丰富,因而低成本的可充电钠离子电池成为近期的研究热点,并被认为是低速电动交通工具和固定储能系统的理想选择。通常正极材料是决定钠离子电池能量密度、使用寿命等性能的关键因素。P2型锰基氧化物具有高电压、低成本、合成简单等优势,被认为是有希望的钠离子电池正极材料。然而,Na+/空位有序超晶格降低了Na+扩散系数和倍率性能;同时高度脱钠态下容易发生P2−O2相变,并伴随着晶胞体积较大变化(~23%)和严重结构破坏。因此,合理的结构设计与调控是提高P2型正极材料反应动力学并改善其电化学性能的重要途径。

香港理工大学黄海涛教授与济南大学侯配玉博士联合报道了{010}晶面导向纳米片组装的分级结构,改善了高电压P2型正极材料的电化学反应动力学,构建了高功率密度钠离子电池。分级结构所有{010}暴露表面均为电化学活性晶面,氧化还原反应中Na+可直接扩散至电解液,无需穿过晶粒间界面,构筑了三维钠离子传输通道;此外,研究发现三价钴掺杂抑制了Na+/空位的有序排列,并提高了P2−O2相变势垒。该研究成果为高功率钠离子电池P2和O3型正极材料反应动力学调控提供了新思路。

研究人员通过简单和可规模化的共沉淀路线合成了钴掺杂的纳米片组装的球形颗粒前驱体,经过高温固相反应制备了P2型分级结构正极材料。透射电子显微镜研究证实纳米片一次晶粒暴露面为电化学活性{010}晶面,X-射线衍射分析表明三价钴掺杂抑制P2相结构中Na+/空位的有序排列,提高了电化学反应中Na+迁移系数和电子传导,因此,即使在20C高倍率下该P2型电极仍具有112 mAh g−1高可逆比容量。同时,第一性原理计算(DFT)表明价钴掺杂提高了高电压下P2−O2相变势垒,解释了钴掺杂抑制P2−O2相变的原因。基于此分级结构P2型正极与硬碳负极构建了钠离子全电池,具有优异的功率密度(1650 W kg−1)和长寿命性能。相关研究可为P2和O3型层状正极材料的结构调控和性能改善提供借鉴,有助于推动高功率密度钠离子电池的发展。

该项目研究获得山东省自然科学基金(ZR2020QE062)、中国博士后自然科学基金(2021T140268)、香港特别行政区研究资助局(PolyU152208/18E、PolyU152178/20E)、广东省科技计划项目(2019A050510012、2020A0505090001)等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Boosting the Redox Kinetics of High-Voltage P2-Type Cathode by Radially Oriented {010} Exposed Nanoplates for High-Power Sodium-Ion Batteries

Feng Li, Ke Fan, Peiyu Hou*, Haitao Huang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100123

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100123