聚焦長循環及高安全性 高熵鈉離子電池正極材料研發獲新進展

圖1.HEO424和NFM424樣品的結構和形貌表征

圖2.首周充電過程中的結構演變機制

圖3.高熵正極材料實際應用評估

鈉離子電池是鋰離子電池的有益補充，其資源豐富、價格低廉，并具有優異的綜合性能，是支撐大規模儲能領域發展的候選技術之一。近年來，鈉離子層狀氧化物（Na_xTMO₂，TM為過渡金屬離子）作為具有應用前景的正極材料得到廣泛研究。但與鋰離子層狀氧化物正極相比，NaO₂層中Na⁺半徑較大，Na⁺-Na⁺靜電斥力較強，Na_xTMO₂在充放電過程中會發生更多復雜的相變，從而對電化學性能產生不利影響。因此對鈉離子電池層狀材料的設計制備、組成優化和結構調控提出了更高的要求。

近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員胡勇勝團隊在鈉離子層狀氧化物正極材料方向作了深入探索。近日，針對高熵材料中近乎等摩爾比的活性和非活性過渡金屬離子組成顯著降低材料的可逆比容量，以及其中昂貴和有毒性的鈷和銻離子不利于材料的低成本化和可持續性的問題，物理所/北京凝聚態物理國家研究中心懷柔研究部崗位博士后丁飛翔、容曉暉與副研究員陸雅翔和研究員胡勇勝合作，以O3-NaNi_0.4Fe_0.2Mn_0.4O₂（NFM424）正極材料為基底，通過替代二價鎳和四價錳離子設計出高熵構型的NaNi_0.25Mg_0.05Cu_0.1Fe_0.2Mn_0.2Ti_0.1Sn_0.1O₂（HEO424）正極材料。實驗結果表明HEO424為純O3相，其顯著擴寬的過渡金屬層擴大了Na⁺八面體-四面體-八面體的傳輸通道，導致較快的Na⁺傳輸動力學；并且顯著降低Ni³⁺八面體的姜泰勒扭曲、Na⁺/空位有序無序轉變和晶格參數變化。上述結構特征使高熵HEO424材料具有較好的倍率性能、優異的長循環穩定性，且過渡金屬離子溶解和晶間裂紋得到明顯抑制。熱穩定性研究發現，HEO424材料具有更高的放熱溫度和更少的放熱量，有利于鈉離子層狀氧化物熱安全性的提升。

相關研究成果以Using High-Entropy Configuration Strategy to Design Na-Ion Layered Oxide Cathodes with Superior Electrochemical Performance and Thermal Stability為題，發表在Journal of the American Chemical Society上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金項目、中科院青年創新促進會、中國博士后科學基金資助項目、北京市自然科學基金的支持。