İlerleme | Bir taşla üç kuş - oksijen iyonlarının fiyatı sodyum iyon pil katot malzemelerinin enerji yoğunluğunu artırır, faz geçişini engeller ve hacim deformasyonunu azaltır
Bol hammadde rezervleri ve düşük fiyatı nedeniyle, sodyum iyon piller son yıllarda giderek daha fazla araştırmacının ilgisini çekmiştir. Pek çok sodyum iyon katot malzeme sistemi arasında tabakalı oksitler, sentez kolaylığı ve daha iyi genel performansları nedeniyle şu anda en umut verici sistemdir. Ancak, sodyum iyonlarının büyük kütlesinden dolayı, sodyum iyon pillerin katmanlı oksit katot materyallerinin enerji yoğunluğu ile lityum iyon pillerin katmanlı katot materyalleri arasında belirli bir boşluk vardır.Sodyum iyon pil materyallerinin enerji yoğunluğunun daha da iyileştirilmesi araştırmacılar için önemli bir yöndür. Son iki yılda sodyum iyon pillerde anyon redoks raporları birbiri ardına ortaya çıktı.Araştırma grubumuz ayrıca sodyum iyon pillerin yapı-aktivite ilişkisi üzerine derinlemesine araştırmalar yaptı (Nat. Commun., 5, 1501005, 2015; Adv. Mater. , 27, 6928-6933, 2015; Adv. Energy Mater., 5, 1501005, 2015, vb.). Anyon redoks fenomeni ilk olarak lityum iyon pillerde, yani ultra yüksek geri dönüşümlü spesifik kapasiteye sahip lityum bakımından zengin malzemelerde bildirilmiştir ( > 300 mAh / g), yük telafisi, değişken değerlik geçiş metali ve kristal kafesteki oksijen iyonları tarafından sağlanır (geleneksel katot malzemeleri yalnızca geçiş metali değişken değerliliğine sahiptir), ancak kafes oksijen katıldığında malzeme yapısı kararsız hale gelir (katmanlı Fazdan spinel faza geçiş), kapasite bozulması ve özellikle voltaj bozulması daha ciddidir. Öyleyse, sodyum iyon pilin katmanlı oksit katodunun tersine çevrilebilir özgül kapasitesi, kafes oksijen iyonlarının redoks reaksiyonundan sonra 200 mAh / g'den fazla olabilir mi? Ek olarak, P2 yapısı katmanlı katot materyali lityum bakımından zengin materyallere benzer yapısal değişikliklerden kaçınabilir mi?
Yakın zamanda, Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi, Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi Temiz Enerji Anahtar Laboratuvarı E01 grubunda doktora öğrencisi olan Rong Xiaohui, Araştırmacı Hu Yongsheng, Yardımcı Araştırmacı Yu Xiqian ve Araştırmacı Gu Lin rehberliğinde Amiral gemisi dergisi "Joule", en son araştırma sonuçlarını "Bastırılmış Faz Geçişli Anyonik Redoks Reaksiyonu Kaynaklı Yüksek Kapasiteli ve Düşük Gerilimli Katot" yayınladı. Anyon redoksunun önceki araştırma temeline (Joule, 2, 125-140, 2018) dayanarak, araştırmacılar P2-Na0.72O2 yapısına ve bileşimine sahip bir sodyum iyon pil katot malzemesi tasarladılar ve birleştirilmiş yarım hücrenin 1.5-4.5 olduğunu buldular. V, ~ 270 mAh / g ultra yüksek tersinir spesifik kapasiteye ve 700 Wh / kg'a kadar enerji yoğunluğuna sahiptir.Şu anda en yüksek enerji yoğunluğuna sahip sodyum iyon piller için katot malzemesi olarak bilinmektedir. ABD'deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndan Dr. Hu Enyuan ve Profesör Yang Xiaoqing, Fransa'daki Bordeaux Üniversitesi'nden Profesör Claude Delmas, vb. İle nötron saçılımı ve senkrotron radyasyon teknolojisi gibi gelişmiş karakterizasyon yöntemleriyle derinlemesine işbirliği yaptıktan sonra, malzemenin yük dengeleme mekanizmasını ve yapı evrim sürecini dikkatlice incelediler , Ve anyonik redoks mekanizmasının sadece ek kapasite sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda sodyum iyon pillerin katmanlı yapısını stabilize edip hacim yükünü azalttığını da buldu.Bu, malzemenin ultra yüksek özgül kapasitesinin doğal nedenidir.
Çalışma, P2 yapısının, OO bağ uzunluğundaki değişikliğin neden olduğu kafes bozulmasını tolere edebilen geniş bir ara katman aralığına (O3 fazına göre) sahip olduğunu buldu; aynı zamanda, geniş ara katman aralığı, şarj sırasında (lityum açısından zengin) katyonların alkali metal katmana geçişini etkili bir şekilde engelleyebilir. Materyaldeki katmanlı-spinel yapı, stabil katmanlı bir yapı sağlamak için değişir, böylece oksijen iyonlarının redoks reaksiyonu tersine çevrilebilir. Ek olarak, ilk haftadaki yük dengelemesinin tamamı oksijen tarafından sağlandığından, bu, bitişik oksijen katmanının elektrostatik itilmesini azaltır ve ardından sodyum iyonlarının çıkarılması nedeniyle zayıflamış elektrostatik kalkanlama etkisini dengeleyerek, şarjın sonunda hala kararlı olmasını sağlar. P2 tipi katmanlı yapı, hacim gerilimini azaltır.
Çalışmanın öne çıkan noktaları:
270 mAh / g (700 Wh / kg) geri dönüşümlü özgül kapasiteli sodyum iyon pil katot malzemesinin ilk raporudur.Malzemenin kapasitesi şarjın ilk haftasında tamamen kafes oksijeni ile sağlanır;
Çalışma, anyon redoks reaksiyonunun P2-O2 faz geçişini inhibe edebileceğini buldu;
Çalışma, anyon redoks reaksiyonunun malzemenin hacim gerilimini azaltabileceğini buldu.
Bu araştırma, sodyum iyon pillerdeki anyon redoks reaksiyonu fenomeninin lityum iyon pillerinkinden oldukça farklı olduğunu kanıtlıyor.Sodyum iyon pillerdeki anyon redoks reaksiyonunun belirli şekillerde tamamen nasıl stabilize edileceği, bir sonraki temel araştırma hedefidir. Bunu başarmak, sodyum iyon pillerin geliştirilmesi için yeni fırsatlar getirecektir.
Şekil 1. Genel sodyum iyon pil katot malzemelerinin voltajı, özgül kapasitesi ve özgül enerjisi arasındaki ilişki.
Şekil 2. P2-Na0.72O2'nin elektrokimyasal performansı (a) 0.05C, 1.5-4.5 V ilk hafta şarj ve deşarj ve ikinci hafta şarj eğrisi; (b) 0.05C, 1.5-4.5 V ve 2.0-4.5 V döngü eğrisi .
Şekil 3. P2-Na0.72O2'nin yük dengeleme mekanizması (a) Şarj ve deşarjın ilk haftasında Mn elementi K kenarının gelişimi; (b) Şarjın ikinci haftasında Mn elementi K kenarının gelişimi; (c) P2-Na0.72O2 Yük dengeleme mekanizmasının şematik diyagramı.
Şekil 4. Farklı SOC'ların nPDF sonuçlarının doldurulması ve boşaltılması (ad) sırasında P2-Na0.72O2'nin yapısal değişikliklerini incelemek için nötron çifti dağılım fonksiyonu (nPDF); (e) farklı SOC'ların nPDF sonuçları ve Teorik sonuçların karşılaştırılması; (f) Farklı SOC'lerin OO bağ uzunluğunun nPDF uydurma sonuçlarına göre değişimi; (g) P2-Na0.72O2'nin yapı gelişim diyagramı.
Bu araştırma çalışması, Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı (2016YFB0901500), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (51725206, 51421002 ve 51822211), Pekin Belediye Bilim ve Teknoloji Komisyonu (Z181100004718008) ve Yangtze Nehri Deltası Araştırma Merkezi, Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi tarafından desteklenmiştir.
Makale alıntı bilgileri:
Rong, X .; Hu, E .; Lu, Y .; Meng, F .; Zhao, C .; Wang, X .; Zhang, Q .; Yu, X .; Gu, L .; Hu, Y.- S .; Li, H .; Huang, X .; Yang, X .; Delmas, C .; Chen, L., Bastırılmış Faz Geçişli Anyonik Redoks Reaksiyonu Kaynaklı Yüksek Kapasiteli ve Düşük Gerilimli Katot, Joule 2018, DOI : 10.1016 / j.joule.2018.10.022.
Editör: Quanta Yuan
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
