《先進功能材料》刊登曹余良團隊最新研究成果
Zn取代的P2-Na2/3MnO2低應(yīng)變儲鈉正極材料
由于鈉資源豐富、價格低廉等優(yōu)點，鈉離子電池近年來一直受到研究者們的廣泛關(guān)注。開發(fā)具有高能量密度，長循環(huán)壽命的電極材料是鈉離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵。過渡金屬層狀氧化物是一類重要的正極材料，其理論容量較高且易于合成，是研究最為廣泛的正極材料之一。然而大多數(shù)層狀氧化物在充放電過程中表現(xiàn)出復雜的相變行為，且往往伴隨著較大的體積變化。由此產(chǎn)生的巨大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，導致了電極材料結(jié)構(gòu)的坍塌和性能的衰減。因此，抑制充放電過程中的不可逆相變，提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是改善層狀氧化物正極材料循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。
武漢大學曹余良教授和香港城市大學劉奇博士設(shè)計合成了Zn取代的P2-Na2/3MnO2正極材料。研究發(fā)現(xiàn)，原始P2-Na2/3MnO2材料在充電過程中隨著鈉離子的脫出，發(fā)生P2到O2的相變，該過程伴隨著晶胞參數(shù)和體積的巨大變化。而Zn取代后的P2-Na2/3Zn1/4Mn3/4O2材料，在充放電過程中只發(fā)生較小的晶格扭曲，體積變化較大的P2-O2轉(zhuǎn)變得到明顯抑制。計算得到在充放電過程中其體積變化最大僅1.0%，晶胞參數(shù)c變化僅為0.8%，說明Zn取代能抑制不可逆相變，降低材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。相應(yīng)地，材料的循環(huán)穩(wěn)定性（50周）從44%提高到67%。同時，Zn取代誘導了晶格中O的氧化還原反應(yīng)，提高了材料的可逆容量和平均工作電壓。另外，研究顯示O的容量貢獻與Zn的含量之間存在一定的正相關(guān)性。該研究表明通過調(diào)節(jié)離子取代的量可以調(diào)控得到具有較高穩(wěn)定性和較高容量的層狀氧化物正極材料。
材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）報道了相關(guān)結(jié)果（DOI: 10.1002/adfm.201910327）。
論文題目為Ultralow‐Strain Zn‐Substituted Layered Oxide Cathode with Suppressed P2–O2 Transition for Stable Sodium Ion Storage，共同第一作者為武漢大學博士生王艷霞和香港城市大學博士后王利光，通訊作者為曹余良教授和香港城市大學劉奇博士。該研究工作得到了國家自然科學基金委員會的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201910327
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