200次，90.6%！中南大学张治安EnSM：表面结构重构抑制单晶O3型氧化钠的异相转变

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-27 08:18

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钠离子电池（SIBs）用 O ₃ 型层状氧化物正极材料因其高比容量和成熟的合成工艺而成为最可行的候选材料之一，而湿敏性和有害相变导致加工性能差和寿命不理想，阻碍了其大规模和商业应用。

在此， 中南大学 张治安团队 采用采用四硼酸铵预处理对单晶正极材料O ₃ -NaNi _1/3 Fe _1/3 Mn _1/3 O ₂ 进行表面结构重建。

结果显示，该策略可改善钠离子扩散动力学，抑制非均相相变，获得优异的结构稳定性。此外，表面残碱可转化为Na ₂ B ₄ O ₇ 的保护层，同时部分B原子进入亚表面或近表面的间隙位置，加速了钠离子的输运，增强了TM-O键和表面O (2p)-Fe （3d-t2g）轨道的杂化，增强了表面和近表面的结构。

此外，形成的富硼表面具有高稳定性，有效缓解了从表面到体的结构降解，增强了空气稳定性。基于此，改性的单晶氧化物（NFM@B）表现出优异的加工性能和电化学性能。

图1. 机制探究

总之，该工作提出了一种单晶化策略来增强单晶氧化物的空气稳定性。结果显示，得益于重建的表面结构，抑制了单晶氧化物的非均相相变，减少了钠化/脱钠过程中的体积变化。

结果表明，制备的NFM@B电极在1C下循环200次后的容量保持率为90.6%，在5C倍率下可实现67.3 mA h g ^-1 的容量。同时，NFM@B也表现出了出色的空气稳定性，在空气暴露30天后，样品在0.1C下的可逆比容量为98.3 mA h g ^-1 ，在1C下循环200次后的容量保持率为87.7%。因此，该工作提出的表面结构加固工程对SIB高能层状氧化物正极的开发具有指导意义。

图2. 电池性能

Surface Structure Reconstruction to Suppress Heterogeneous Phase Transformation for Air-stable Single Crystalline O3-type Sodium Oxide, Energy Storage Materials 2024 DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103881