北京工业大学尉海军团队Angew:高熵锰基正极实现高倍率钠离子电池

锂电联盟会长 2024-12-29 09:01

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!

第一作者:刘世奇
通讯作者:尉海军
通讯地址:北京工业大学
论文链接:
https://doi.org/10.1002/anie.202421089
论文简介
本研究报道了一种基于高熵工程策略的新型P2型锰基层状氧化物正极材料(HE-NMCO),该材料通过多组分协同效应强化了晶格框架,并通过调节局部环境化学性质,实现了可持续的可逆氧活性、减轻晶界应力集中和加速Na⁺传输动力学。这种创新方法显著提升了结构完整性,减少了晶内裂纹的形成,使得HE-NMCO在100个深度循环(充/放电)后仍能保持93.5%的容量,并展现出在5C倍率下134.1 mAh g-1的倍率性能。通过多模态表征技术比较研究,HE-NMCO在氧阴离子氧化还原(OAR)反应的可逆性上明显优于传统NMCO正极,为高能量和功率密度的锰基正极材料在钠离子电池中的应用提供了新的可能性。    
研究背景
在全球环境挑战加剧和锂资源分布不均的背景下,钠离子电池(SIBs)作为一种替代能源存储解决方案受到了广泛关注。SIBs具有资源丰富、成本低廉以及与锂离子电池相似的工作原理等优势,被认为是学术研究和工业应用的有力候选。特别地,锰基(Mn-based)层状氧化物因其高能量密度、成本效益和大规模生产潜力而成为SIBs竞争性的正极材料。然而,这些材料常因不可逆的氧氧化还原反应、显著的相变和微裂纹形成而导致内部应力和电化学性能退化。此外,锰基氧化物正极在SIBs中还面临结构不稳定、Jahn-Teller效应、应变和应力积累以及Mn溶解和气体演化等问题,限制了它们的可逆容量和循环稳定性,未能满足工业需求。因此,通过利用氧阴离子氧化还原(OAR)反应来增强Mn基层状氧化物正极的可逆容量和能量密度,同时解决其在电化学操作中遇到的稳定性和应力问题,成为了该领域研究的重点。   
图文导读
Figure 1 展示了高熵材料形成单相固溶体的示意图和构型熵的计算结果。这部分内容说明了通过混合不同元素形成单一固溶体的可能反应,并计算了在Na0.63Li0.2(TM1)x(TM2)y(TM3)0.8−x−yO2体系中的构型熵,突出了每种过渡金属(TM)组分的可能范围,并展示了在理想单相固溶体中,随着组分数量增加构型熵的变化趋势,表明在每个组分的等摩尔组成下达到最大构型熵。    
Figure 2通过XRD图谱和Rietveld精修结果展示了材料的晶体结构,确认了P2结构的存在,并显示了Na和TM离子的占据位置。此外,通过TEM和EDS mapping展示了材料的均匀性和元素分布,以及通过HAADF-STEM、ABF-STEM和相应的应变图展示了材料的微观结构和应变状态。    
Figure 3 展示了HE-NMCO正极材料的电化学性能。包括不同截止电压下的充放电曲线、不同循环次数下的电压曲线、平均电压和放电能量密度、HE-NMCO和LE-NMCO正极在1.5-4.5V范围内的循环性能,以及在不同倍率下的性能对比。这些结果突出了高熵工程对提升Mn基层状TM氧化物材料电化学性能的重要性。
    
Figure 4 展示了P2型HE-NMCO正极在初始三个充放电过程中的结构演变。通过原位XRD和选区XRD图案展示了充电过程中P2到Z相的转变,以及放电过程中Z相回到P2相的可逆性。此外,通过同步辐射WAXS图展示了不同电化学状态下的HE-NMCO和LE-NMCO的结构稳定性。
Figure 5 探讨了HE-NMCO的MCR/OAR机制。通过XANES结果展示了Mn和Co在循环过程中的化学价变化,mRIXS结果展示了氧的氧化还原活性,以及通过in situ DEMS测量展示了HE-NMCO在充放电过程中的气体释放情况。    
Figure 6通过计算不同构型中Na⁺的迁移势垒和单位电池在不同熵配置下的应力,以及模拟的应力分布图,展示了高熵工程如何减少电化学过程中的应力集中和变化,从而提高材料的结构可逆性和电化学性能。
总结与展望
研究团队通过高熵工程策略设计的Mn基P2型层状氧化物正极材料(HE-NMCO)在钠离子电池中展现出了卓越的电化学性能。这种材料不仅实现了高可逆容量和优异的循环稳定性,还表现出了出色的倍率性能。高熵配置有效地减轻了结构扭曲和有害的相变,维持了材料在长循环中结构的可逆性和容量的保持。此外,该正极材料还显示出了显著的氧阴离子氧化还原反应能力,特别是在经过深度充/放电循环后。理论计算和模拟进一步阐明了高熵工程如何有效缓解高熵P2型正极中的应力集中和变化,并增强了Na⁺的传输动力学。这些发现为解决高电压操作中Mn基层状氧化物正极的结构不稳定性提供了有价值的见解,并指出了实现钠层状氧化物电池高能量和功率密度的有前景的途径 
来源:清新电源
锂电联盟会长向各大团队诚心约稿,课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿,请联系:邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。
相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)


锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论
  • 引言工程师作为推动科技进步和社会发展的核心力量,在各个领域发挥着关键作用。为深入了解工程师的职场现状,本次调研涵盖了不同行业、不同经验水平的工程师群体,通过问卷调查、访谈等方式,收集了大量一手数据,旨在全面呈现工程师的职场生态。1. 工程师群体基本信息行业分布:调研结果显示,工程师群体广泛分布于多个行业,其中制造业占比最高,达到 90%,其次是信息技术、电子通信、能源等行业。不同行业的工程师在工作内容、技术要求和职业发展路径上存在一定差异。年龄与经验:工程师群体以中青年为主,30 - 45 岁年
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 17:39 184浏览
  • 起源与基础20 世纪 60 年代:可编程逻辑设备(PLD)的概念出现,一种被称为 “重构能力” 的芯片的可编程性吸引了许多工程师和学者。20 世纪 70 年代:最早的可编程逻辑器件 PLD 诞生,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,它的硬件结构设计可由软件完成,设计比纯硬件的数字电路更灵活,但结构简单,只能实现小规模电路。诞生与发展20 世纪 80 年代中期:为弥补 PLD 只能设计小规模电路的缺陷,复杂可编程逻辑器件 CPLD 被推出,它具有更复杂的结构,能够实现较大规模的电路设计。1988 年:
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 10:41 94浏览
  • 在当今科技飞速发展的时代,工业电子作为现代制造业的中流砥柱,正以前所未有的速度推动着各个行业的变革与进步。从汽车制造到航空航天,从智能家居到工业自动化,工业电子的身影无处不在,为我们的生活和生产带来了巨大的改变。工业电子的崛起与发展工业电子的发展历程可谓是一部波澜壮阔的科技进化史。追溯到上世纪中叶,电子技术开始逐渐应用于工业领域,最初主要是简单的电子控制装置,用于提高生产过程的自动化程度。随着半导体技术、计算机技术和通信技术的不断突破,工业电子迎来了爆发式的增长。集成电路的发明使得电子设备的体积
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 15:40 150浏览
  • 从教师的角度来看,麻省理工学院开除因学术造假的学生,这一决定是合理且必要的。首先,学术诚信是学术研究的基石。在学术界,真实性和原创性是至关重要的。学术造假不仅破坏了学术研究的公正性和准确性,还损害了学术领域的整体声誉。因此,对于任何形式的学术不端行为,包括伪造数据、抄袭等,学校都应采取严厉措施,以维护学术诚信。其次,学校对学生具有管理权,包括对学生的处分权。按照相关规定,学校有权对违纪学生进行警告、严重警告、记过、留校察看、勒令退学、开除学籍等处分。开除学籍是一种严厉的处分,通常适用于严重违反学
    curton 2024-12-28 21:49 103浏览
  • 一、引言无人机,作为近年来迅速崛起的新兴技术产物,正以前所未有的速度改变着众多行业的运作模式,从民用领域的航拍、物流,到工业领域的测绘、巡检,再到军事领域的侦察、打击等,无人机的身影无处不在。为了深入了解无人机的现状,本次调研综合了市场数据、行业报告、用户反馈等多方面信息,全面剖析无人机的发展态势。二、市场规模与增长趋势随着技术的不断进步和成本的逐渐降低,无人机市场呈现出爆发式增长。近年来,全球无人机市场规模持续扩大,预计在未来几年内仍将保持较高的增长率。从应用领域来看,消费级无人机市场依然占据
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 17:29 235浏览
  • 在当今这个数字化的时代,电子设备无处不在,从我们手中的智能手机、随身携带的笔记本电脑,到复杂的工业控制系统、先进的医疗设备,它们的正常运行都离不开一个关键的 “幕后英雄”—— 印刷电路板(Printed Circuit Board,简称 PCB)。PCB 作为电子设备中不可或缺的重要部件,默默地承载着电子元件之间的连接与信号传输,是整个电子世界的基石。揭开 PCB 的神秘面纱PCB,简单来说,就是一块由绝缘材料制成的板子,上面通过印刷、蚀刻等工艺形成了导电线路和焊盘,用于固定和连接各种电子元件。
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 17:21 145浏览
  • 在科技飞速发展的今天,医疗电子作为一个融合了医学与电子技术的交叉领域,正以前所未有的速度改变着我们的医疗模式和健康生活。它宛如一颗璀璨的明珠,在医疗领域绽放出耀眼的光芒,为人类的健康福祉带来了诸多惊喜与变革。医疗电子的神奇应用医疗电子的应用范围极为广泛,深入到医疗的各个环节。在诊断方面,各种先进的医学成像设备堪称医生的 “火眼金睛”。X 光、CT、MRI 等成像技术,能够清晰地呈现人体内部的结构和病变情况,帮助医生准确地发现疾病。以 CT 为例,它通过对人体进行断层扫描,能够提供比传统 X 光更
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 15:46 151浏览
  • 在科技飞速发展的今天,汽车不再仅仅是一种交通工具,更是一个融合了先进技术的移动智能空间。汽车电子作为汽车产业与电子技术深度融合的产物,正以前所未有的速度推动着汽车行业的变革,为我们带来更加智能、安全、舒适的出行体验。汽车电子的发展历程汽车电子的发展可以追溯到上世纪中叶。早期,汽车电子主要应用于发动机点火系统和简单的电子仪表,功能相对单一。随着半导体技术的不断进步,集成电路被广泛应用于汽车领域,使得汽车电子系统的性能得到了显著提升。从电子燃油喷射系统到防抱死制动系统(ABS),从安全气囊到车载导航
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 11:53 149浏览
  • 一、前言 回首2024,对于我而言,是充满挑战与收获的一年。在这一年里,我积极参与了论坛的众多活动,不仅拓宽了我的认知边界(有些东西不是你做不到,而是你想不到),还让我在实践中收获了宝贵的经验和。同时,多种多样的论坛活动让我们全方面的接受新东西,连接新知识,多种类型的的活动交织了你我的2024。在这里说一说对过去一年的活动经历,进行一次年终总结,并谈谈我的收获和感受,以及对2025年的展望。二、活动足迹(一)快速体验:机智云Gokit2.0开发板初体验 机智云Gokit2.0开发板的体验活动让大
    无言的朝圣 2024-12-27 14:50 105浏览
  • 在当今竞争激烈的商业世界中,供应链管理已成为企业生存与发展的核心竞争力之一。它就像一条无形的纽带,将供应商、制造商、分销商、零售商直至最终消费者紧密相连,确保产品和服务能够高效、顺畅地流转。今天,就让我们一同深入探索供应链管理的奥秘。供应链管理是什么简单来说,供应链管理是对从原材料采购、生产制造、产品配送直至销售给最终用户这一整个过程中,涉及的物流、信息流和资金流进行计划、协调、控制和优化的管理活动。它不仅仅是对各个环节的简单串联,更是一种通过整合资源、优化流程,实现整体效益最大化的管理理念和方
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 17:27 144浏览
  • 采购与分销是企业运营中至关重要的环节,直接影响到企业的成本控制、客户满意度和市场竞争力。以下从多个方面介绍如何优化采购与分销:采购环节优化供应商管理供应商评估与选择:建立一套全面、科学的供应商评估体系,除了考虑价格因素,还要综合评估供应商的产品质量、交货期、信誉、研发能力、售后服务等。通过多维度评估,选择那些能够提供优质产品和服务,且与企业战略目标相契合的供应商。建立长期合作关系:与优质供应商建立长期稳定的合作关系,这种合作模式可以带来诸多好处。双方可以在信任的基础上进行深度沟通与协作,共同开展
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 17:43 161浏览
  • 在当今这个科技飞速发展的时代,物联网(IoT)已经不再是一个陌生的概念,它正以一种前所未有的速度改变着我们的生活和工作方式,像一股无形的力量,将世界紧密地连接在一起,引领我们步入一个全新的智能时代。物联网是什么简单来说,物联网就是通过感知设备、网络传输、数据处理等技术手段,实现物与物、人与物之间的互联互通和智能化管理。想象一下,你的家里所有的电器都能 “听懂” 你的指令,根据你的习惯自动调节;工厂里的设备能够实时监测自身状态,提前预警故障;城市的交通系统可以根据实时路况自动优化信号灯,减少拥堵…
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 17:18 131浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦