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浙大Nat. Sustain.：用于鈉離子電池的快充高電壓層狀陰極

鈉離子電池不僅由于與鋰相比鈉的豐度更高而在電網(wǎng)規(guī)模的儲能方面引起了極大的關注，而且由于其固有的更高的鈉離子遷移率而具有快充的可能性。然而，考慮到鈉離子氧化物材料的復雜結構化學，實現(xiàn)這些優(yōu)點的結合仍然是一項巨大挑戰(zhàn)。

圖1 O3型層狀氧化物的設計

浙江大學陸俊、荷蘭代爾夫特理工大學Marnix Wagemaker、趙成龍等打破了既定的觀點，通過合理的成分設計，開發(fā)了一種用于鈉離子電池的O3型Na_5/6Li_2/27Ni_8/27Mn_11/27Ti_6/27O₂層狀陰極。

該陰極具有顯著延長的循環(huán)壽命，在全電池中經(jīng)過700次循環(huán)后80%的容量保持率證明了這一點，同時電壓衰減較小，并且能量和功率密度增強。對此負責的是P型特性的結合，特別是O3型結構中0.33 nm的大d（O?Na?O）層間間距。這種設計在充電過程中誘導了主要的P3型固溶體轉變，促進了高鈉離子擴散率，同時避免了在高電荷狀態(tài)下的有害過渡金屬遷移和相變。

圖2 電化學性能研究

總體而言，這項工作利用層狀鈉離子氧化物的不同組成空間來調(diào)節(jié)結構化學，從而為鈉離子電池開發(fā)了一種新型陰極，該陰極表現(xiàn)出快充以及高平均工作電壓和容量保持率。結果表明，P3型主導固溶反應與TMO₂板之間開放的棱柱形Na離子擴散途徑是實現(xiàn)快速Na離子傳輸和優(yōu)異可逆性的原因。該工作所提出的設計策略有望促進經(jīng)濟和綠色電極材料的發(fā)展，以實現(xiàn)高度可持續(xù)的高能量密度電池。

圖3 O3型鈉離子層狀陰極相變的分類

Fast-charge high-voltage layered cathodes for sodium-ion batteries. Nature Sustainability 2024. DOI: 10.1038/s41893-024-01266-1

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