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鈉離子電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的新星，備受關(guān)注。然而，在設(shè)計(jì)高能量密度陰極材料時(shí)卻面臨難題：在（脫）鈉過程中，材料容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)變，難以兼顧容量與穩(wěn)定性。這種容量 - 穩(wěn)定性的權(quán)衡困境，嚴(yán)重制約了鈉離子電池的發(fā)展，急需找到創(chuàng)新的解決辦法，以滿足日益增長的儲(chǔ)能需求。

成果簡介

在這項(xiàng)研究中，南開大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種 P2 層狀雙硅酸鋰取代的 Na0.7Li0.03 [Mg0.15Li0.07Mn0.75] O2（NMLMO）陰極材料，Li 離子同時(shí)占據(jù)過渡金屬（TM）和堿金屬（AM）位點(diǎn)。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征顯示，占據(jù) TM 位點(diǎn)的 Li 會(huì)產(chǎn)生 Na−O−Li 電子構(gòu)型，提升氧陰離子氧化還原產(chǎn)生的容量；占據(jù) AM 位點(diǎn)的 Li 則像 LiO6 棱柱柱，抑制有害相變，穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)。NMLMO 在 1.5 - 4.6V 寬電壓范圍內(nèi)，展現(xiàn)出 266mAh g−1 的高比容量，且具備接近零應(yīng)變的特性。

圖文導(dǎo)讀

材料結(jié)構(gòu)與形貌：通過 HAADF - STEM、SAED 等技術(shù)，觀察到 NMLMO 材料的蜂窩狀層狀超晶格結(jié)構(gòu)，以及元素分布情況，為理解其性能提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

電化學(xué)性能：對(duì)比 NMMO 和 NMLMO，NMLMO 在充放電曲線、循環(huán)性能等方面表現(xiàn)更優(yōu)，展現(xiàn)出高容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

電子結(jié)構(gòu)與電荷補(bǔ)償：計(jì)算 pDOS 和 XANES 光譜表明，Li 離子在不同位點(diǎn)的作用不同，TM 位點(diǎn) Li 促進(jìn)氧氧化還原貢獻(xiàn)容量，AM 位點(diǎn) Li 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

研究人員成功開發(fā)出 NMLMO 陰極材料，打破了鈉電池陰極材料容量 - 穩(wěn)定性的權(quán)衡困境。該材料不僅比容量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也十分優(yōu)異，充放電時(shí)晶格體積變化僅 1.2%。研究還揭示了 Li 離子在不同位點(diǎn)的作用機(jī)制，為提高電池材料性能提供了新方向。這一成果有望推動(dòng)鈉離子電池技術(shù)進(jìn)步，在儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，為能源存儲(chǔ)帶來新突破。