研究背景
鈉離子電池（NIBs）因其低生產成本和材料豐富性，成為了靜態能源存儲領域的研究熱點。然而，鈉離子電池的廣泛應用面臨著正極材料結構可逆性差和能量保持能力低等挑戰。特別是層狀過渡金屬氧化物（NaxTMO2）正極材料在循環過程中常常出現嚴重的結構降解問題，這主要源于金屬離子遷移和氧化還原反應導致的晶格應變和微裂紋。為了解決這些問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心陸雅翔副研究員、蘇東研究員、胡勇勝研究員和北京科技大學毛慧燦博士合作在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Tailoring planar strain for robust structural stability in high-entropy layered sodium oxide cathode materials”的最新論文。研究人員提出了一種創新的解決方案，即開發高熵氧化物正極材料。高熵氧化物材料通過將多種金屬離子引入到TMO2層中，顯著提高了材料的熱穩定性和電化學性能。研究發現，這些材料的優越性能主要得益于高的構型熵和局部無序性，這些因素有助于在鈉離子的脫嵌過程中保持結構穩定。然而，現有研究表明，雖然高熵氧化物具有優越的性能，但在實際應用中仍存在如晶格畸變等問題，這影響了材料的穩定性和性能。因此，研究人員通過比較不同的高熵正極材料，揭示了元素兼容性對材料結構可逆性和能量保持的關鍵作用。這些研究成果表明，高兼容性的元素組合可以顯著改善正極材料的循環穩定性和能量密度，為未來高性能鈉離子電池的研發提供了寶貴的設計指導。
研究亮點
1. 實驗首次揭示了高熵層狀正極材料中元素兼容性的關鍵作用。通過對比兩種具有不同晶格微應變的相似材料，研究了高熵正極材料中元素兼容性對結構可逆性和能量保持的影響。2. 實驗通過分析NCFMS和NCFMT兩種材料的結構與性能，得到了以下結果：
圖文解讀
圖1： NCFMT和NCFMS樣品的原子結構和應力水平差異。 圖4: 循環后的NCFMS和NCFMT正極的結構表征。圖6：NCFMT//HC全電池在不同電壓范圍下的性能。
總結展望
本文的研究揭示了組分元素之間高兼容性在高熵層狀正極材料的結構可逆性和能量保持中的關鍵作用。通過比較具有不同晶格微應變的兩種相似材料，研究發現，NCFMS正極材料中顯著的微應變主要由于Sn4+與其他3d過渡金屬離子在原子尺寸、質量和價電子配置上的差異引起的金屬離子位移。這種應變引發了局部平面應變及晶格應變，從而促進了金屬離子遷移和Sn的分離，最終導致正極顆粒的失效。而NCFMT材料由于其TMO2層中組分元素的高機械化學兼容性，展示了顯著的電化學性能提升，包括高能量密度和優良的循環穩定性。本文的研究強調了在設計高性能高熵正極材料時精確選擇元素的重要性，提出了優化高熵氧化物正極成分的新思路，并為開發具有長壽命的層狀氧化物正極材料提供了堅實的設計指導。這一發現為高熵正極材料的理性優化開辟了前景廣闊的研究方向，并推動了其在鈉離子電池商業應用中的實際應用。 Ding, F., Ji, P., Han, Z. et al. Tailoring planar strain for robust structural stability in high-entropy layered sodium oxide cathode materials. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01616-5
