Kationblanding inducerer højeffektiv natriumlagring til lagdelte katoder

Natrium er et af de mest udbredte grundstoffer, udbredt på jorden og i havet. Dermed, natrium-ion-batterier tiltrækker meget opmærksomhed for anvendelse i storskala energilagring. De mest populære katoder til SIB'er, dvs. de lagdelte natriumholdige oxider, normalt udviser reversibel værtsomlægning mellem P-type og O-type stabling ved opladning/afladning. En sådan værtsomlægning er ugunstig på grund af flere faktorer:(1) O-typefasen er uønsket i forhold til P-typen, da sidstnævnte har en mere åben ramme for Na-ion-transport; (2) Omarrangeringerne af værtsstrukturen indikerer træg reaktionsdynamik, hvilket bidrager til elektrodens spændingshysterese og dårlige hastighedsevne; (3) Den store variation i gitterparametre mellem P-type og O-type fører til elastisk belastning, forårsager tab af aktivt materiale og den resulterende kapacitet falmer.

På baggrund af ovenstående grunde, Haoshen Zhou og Shaohua Guos gruppe fra Nanjing University syntetiserede O3-typen Na _0,8 Ni _0,3 Co _0,1 Ti _0,6 O ₂ (NNCT), og fandt, at NNCT-elektroden udviste kation-blandingskarakteristikken ved at indføre overgangsmetalioner i Na-lag under den indledende ladning, undertrykker således værtsomlægning ved opladning/afladning ved den inducerede "pinningseffekt". I øvrigt, O-typefasen er uønsket i forhold til P-typen, da sidstnævnte besidder en mere åben ramme for Na-ion transport. Følgelig, NNCT med stabil P3-stabling efter indledende opladningsproces udviser overlegen hastighedskapacitet, høj energieffektivitet og fremragende cykelydelse. Denne gruppe karakteriserede den strukturelle udvikling under elektrokemisk natriumindsættelse/ekstraktion ved in-situ XRD og ex-situ STEM eksperimenter. Fig. 1 viser den strukturelle udvikling af NNCT-elektroden under den første cyklus. NNCT transformeres til P3-type i den indledende opladningsproces, som de fleste andre gør, men opretholder uventet P3-stablingen i de efterfølgende cyklusser. STEM-resultater indikerer tilstedeværelsen af ​​overgangsmetalioner i natriumlag ved den ladede NNCT-elektrode, udviser kation-blandingsfænomenet.

De elektrokemiske ydeevner af NNT- og NNCT-katoder blev sammenlignet undersøgt i fig. 2. De næsten overlappende kurver antyder den høje reversibilitet af NNCT med en reversibel kapacitet på 92 mAh* g-1 ved 0,05C hastighed. Afladningskurverne viser en høj kapacitetsretention (92 procent), og der observeres en ubetydelig spændingsforringelse (0,03V) over 300 cyklusser. Rundtursenergieffektiviteten er stabiliseret på 93 procent for NNCT-elektroden, og Coulombic effektiviteten af ​​NNCT katoden er omkring 99,7 procent. Vigtigere, NNCT katode yder fremragende langsigtet cykelydelse, dvs. 98 procent kapacitetsbevarelse efter 1000 cyklusser.

Dette arbejde foreslår, at "pinningseffekten" induceret ved at introducere kation-blanding effektivt kunne undertrykke faseovergangen og det relative værtsarrangement, hvilket i høj grad forbedrer den strukturelle stabilitet. Resultaterne understreger den kritiske rolle af stabil natriumlagringsramme, og åbner også en ny vej for design af højeffektive energilagringsmaterialer.