○为钠离子电池设计○○○○○分层氧化物材料-爱游戏手机评测

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阳离子电位及其在钠(Na)-离子分层氧化物中的用因。(A) 晶体代表性P2型(六角)和O3型(隆隆体)分层氧化物的示意图图。(B) 考虑到纳米含量、过渡金属的氧化状态和TM成分,代表性P2型和O3型Na-ion分层氧化物的阳离子电位。来源: 科学, doi: 10.1126 / 科学. aay997○○○2

○○○○○

氧化钴锂○○○○是一种分层金属氧化物,在开发可充电电池方面备受关○○注。由于钠的天然丰富性,钠离子电池可以储存电网尺度的○○○能量。该组合物可以确定电化学性能的结构化学,但由于成分复杂,结果很难预测。在一份有关科学的新报告中,赵成龙和中国科学院、中国、哈佛大学、美国、荷兰德尔夫特理工大学和加拿大多伦多大学的一组国际科学家介○○○○绍了一种\”阳离子潜力\○○”,用于捕获分层材○○○○○料的关键相互作用,并预测○○由此产生的堆叠结构。该团队展示了堆叠架构如何确定功能特性,为开发用于电能存储的碱金属分层氧化物提供解决方案。

分层电荷

○研究人员必须开发可持续的电能存○○○○储系统,以满足集成间歇性可再生能源的需求。与锂离子电池相比,钠(Na)的丰度和低成本使Na-ion电池有望替代智能电网和大规模储能。自1980年以来,锂离子分层电池一直占据电极材料的主导性;顺便研制出一种新型阴极材料,美国材料科学家J.B.Goodenough最终在2019年与斯坦利·惠廷厄姆和吉野阿基拉共○○○○○同获得诺贝尔化学奖。一个或多个过渡金属(TM)元件可以促进与锂离子(○○去-)交算相关的氧化还原○○○○○反应。例如,材料科学家可以从边缘共享过渡金属氧化物构建分层结构(TMO6) 八角形成重复层,其中锂离子可以放置在八边形氧环境中观察O型堆叠。该架构提供高成分多样性和可调谐电化学性能,并改进电荷。

设计 ○○○○○O3 型氧化物。(A) 分析Na-Li-Mn(Ti)-O氧化物的阳离子电位。(B) 目标 NaLi1/3Mn2/3O2 的 XRD 模式和标准参考。(C) NaLi1/3Ti1/6Mn1/2O2 的 XRD 图案的 Rietveld 细化。(D) 在 [Li1/3Ti1/6Mn1/○2]O2○○○○ 板中与 Li/Mn(Ti) 排序的相应结构的示意图。来源: 科学, doi: 10.1126 / 科学. aay9972

开发钠离子电池。

分层氧化物为寻找钠(Na)离子电池的电极提供了一个自然的起点。然而,除了用于 Na-离子氧化物的 O 型堆叠外,P 型堆叠也可能发生,其中 P 型是指具有明显不同电极性能的棱镜Na-离○子协调。研究人员研究了多种P2型(六边形)和O3型(隆隆带)钠离子分层氧化物,以寻找具有良好化学和动态稳定性以及高Na存储性能的电极。然而,还没有有效的指导方针来设计和准备这种最适合钠离子○○电池的电极材料。

设计 P2 型氧化物。(A) 分析纳利-Mn-O氧化物的阳离子电位。(B) NaLi1/3Ti1/6Mn1/2O2 和 Na5/6Li5/18Mn13/18O2 氧化物的 XRD 模式。(C) Na5/6Li5/18Mn13/18O2 的 XRD 图案的 Rietveld 优化。(D) [Li5/18Mn13/18]O2 板中与 Li/Mn 排序的相应结构的示意图。来源: 科学, doi: 10.1126 / 科学. aay9972

利用阳离子电位设计钠离子电池

因此,赵等人针对分层氧化物的简单描述,通过定义\”阳离子电位\○○”,表达了阳离子密度及其极化程度,并规范化为离子电位。然后,他们利用阳离子电位作为指南,通过控制钠含量和过渡金属成分来设计特定的堆叠结构。作为起点,他们使用基于锰的分层氧化物阴极(NaLi1/3锰2/3O2),虽然理论计算表明化合物在O3型结构中是稳定的,但成分本身仍要在该方向上进行实验准备○○。因此,赵等人通过替代锰阳离子(Mn),降低了阳离子电位作为实验产生○○○○预期O3型结构的可能途径。4°) 钛阳离子 (Ti4°)含有较低的离子电位,形成钛基分层氧化物阴极(NaLi1/3钛1/6锰1/2O2)在预期的 O3 类型配置中。研究小组用X射线衍射模式○○○○○确认了结果,以显示一个分层的岩盐结构,其中钠超氧化物○○○○(NaO2) 层与混合钛基○○○○分层氧化物交替 (李1/3钛1/6锰1/2O2).

碱金属分层氧化物的阳离子电位相位图。报告碱金属分层材料(包括锂/纳-/K-离子氧化物)的摘要。来源: 科学, doi: 10.1○○○126 / 科学. aay9972

将阳离子电位扩展到其他金属分层氧化物

然后,研究小组利用阳离子潜力设计了一个P2型结构,其目标为异常高的Na含量,从锰基分层氧化物阴极(NaLi)开始1○○/3锰2/3O2).在这种情况下,为了防止O3型结构的形成,它们通过增加过渡金属位点中的离子电位增加了阳离子电位。所得组合物保持了成功准备的P2型结构,钠含量高,且具有200毫安小时(mAh)g的更高容量电荷+1.该团队将阳○○○○○离子电位扩展到其他碱金属分层氧化物,包括锂离子和钾离子,由此产生的阳离子电位从钾增加到钠到锂。研究结果表明,阳离子电位如何预测新的钠/过渡金属氧化物分层材料相对于特定成分需求的结构。

NaLi1/3Ti1/6○○Mn○○1/2O2氧化物的形态学和结构表征。扫描电子显微镜图像和原子分辨率高分辨率环形暗场扫描传输电子显微镜图像。来源: 科学, doi: 10.1126 / 科学. aay9972

前景

这样,赵成龙和他的同事们就证明了离子电位作为离子极化的测量方法,反映了静电对系统的影响。研究小组提出了阳离子潜能法,以区分和设计可用于钠离子分层氧化物的材料。然而,这里开发的阳离子电位方法并不适用于几种条件,包括机械铣削产生的无序化合物或在特定条件下准备的氧化物。只有当拟建的材料在P型或O型结构中结晶时,才预测阳离子电位。该团队旨在进一步深入了解结构信息,以决定相应的材料相对于材料工程中的特定组成需求是否稳定或实用。