鈷酸鋰是一種層狀金屬氧化物，在開發(fā)可充電電池方面引起了極大的關(guān)注。由于鈉的自然豐度，鈉離子電池可以存儲網(wǎng)格規(guī)模的能量。組成可以決定電化學(xué)性能的結(jié)構(gòu)化學(xué)，但是，由于組成復(fù)雜，結(jié)果很難預(yù)測?，F(xiàn)在在有關(guān)科學(xué)的新報告中趙成龍和中國科學(xué)院，美國哈佛大學(xué)，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和加拿大多倫多大學(xué)的國際科學(xué)家團隊介紹了一種“陽離子潛力”，以捕捉與分層材料并預(yù)測最終的堆疊結(jié)構(gòu)。該團隊展示了堆疊體系結(jié)構(gòu)如何確定功能特性，從而為開發(fā)用于電能存儲的堿金屬層狀氧化物提供解決方案。

分層收費

研究人員必須開發(fā)可持續(xù)的電能存儲系統(tǒng)，以滿足整合間歇性可再生能源的需求。與鋰(Li)離子電池相比，鈉(Na)的豐富性和低成本使得Na-離子電池成為智能電網(wǎng)和大規(guī)模儲能的理想替代品。自1980年以來，鋰離子層狀電池就代表了電極材料的主要家族;美國材料科學(xué)家JBGoodenough偶然將其開發(fā)為一種新的陰極材料，最終于2019年與M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino共同獲得了諾貝爾化學(xué)獎。一種或多種過渡金屬(TM)元素可以促進(jìn)與鋰離子(脫)嵌入相關(guān)的氧化還原反應(yīng)。例如，材料科學(xué)家可以從邊緣共享的過渡金屬氧化物(TMO 6)八面體構(gòu)建層狀結(jié)構(gòu)，以形成重復(fù)層，其中鋰離子可以放置在八面體氧環(huán)境中，以觀察O型堆疊。這種結(jié)構(gòu)提供了高成分多樣性和可調(diào)節(jié)的電化學(xué)性能，并改善了電荷。

開發(fā)鈉離子電池。

層狀氧化物為尋找鈉(Na)離子電池的電極提供了自然的起點。但是，除了Na型氧化物的O型堆積外，還可能發(fā)生P型堆積，其中P型是指棱柱形Na離子配位，電極性能明顯不同。研究人員已經(jīng)研究了各種P2型(六角形)和O3型(菱形)鈉離子層狀氧化物，以尋找具有良好化學(xué)和動態(tài)穩(wěn)定性以及高Na儲存性能的電極。然而，尚未有有效的指導(dǎo)方針來設(shè)計和制備適用于鈉離子電池的最佳電極材料。

趙等。因此，它針對層狀氧化物的簡單描述，并通過定義“陽離子電勢”將其歸一化為離子電勢陰離子，表示了陽離子密度及其極化率的程度。然后他們以陽離子電位為指導(dǎo)，通過控制鈉含量和過渡金屬組成來設(shè)計特定的堆疊結(jié)構(gòu)。首先，他們使用了錳基層狀氧化物陰極(NaLi 1/3 Mn 2/3 O 2)，而理論計算表明該化合物在O3型結(jié)構(gòu)中是穩(wěn)定的，該組合物本身仍需以該方向進(jìn)行實驗制備。趙等。因此，通過用錳離子(Mn 4+)替換為含有較低離子電勢的鈦陽離子(Ti 4+)來形成鈦基層狀氧化陰極，從而降低了陽離子電勢作為通過實驗獲得預(yù)期的O3型結(jié)構(gòu)的可能途徑(NaLi 1/3 Ti 1/6 Mn 1/2 O 2)處于預(yù)期的O3型結(jié)構(gòu)。研究小組使用X射線衍射圖證實了結(jié)果，顯示出層狀的巖鹽結(jié)構(gòu)，其中過氧化鈉(NaO 2)層與混合的鈦基層狀氧化物(Li 1/3 Ti 1/6 Mn 1/2 O 2)交替出現(xiàn)。

然后，研究小組使用陽離子電勢設(shè)計了一種P2型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)旨在以異常高的Na含量為目標(biāo)，該方法像以前一樣從錳基層狀氧化物陰極(NaLi 1/3 Mn 2/3 O 2)開始。在這種情況下，為防止形成O3型結(jié)構(gòu)，他們通過增加過渡金屬位點的離子電勢來增加陽離子電勢。所得組合物維持成功制備的具有高鈉含量的P2-型結(jié)構(gòu)，并且還具有大于200毫安小時(mAh)g -1的更高容量的電荷。研究小組將陽離子電勢擴展到其他堿金屬層狀氧化物，包括鋰和鉀離子，其中產(chǎn)生的陽離子電勢從鉀到鈉再到鋰增加。這項工作表明，相對于特定的組成要求，陽離子電勢如何可以預(yù)測新型鈉/過渡金屬氧化物層狀材料的結(jié)構(gòu)。

這樣，趙成龍及其同事證明了離子勢是離子極化的一種量度，以反映靜電能對系統(tǒng)的影響。該小組提出了陽離子電勢方法，以區(qū)分和設(shè)計用于鈉離子層狀氧化物的材料。但是，此處開發(fā)的陽離子電勢方法不適用于多種條件，包括機械研磨產(chǎn)生的無序化合物或在特定條件下制備的氧化物。陽離子電勢僅能預(yù)測所提議的材料是否會以P型或O型結(jié)構(gòu)結(jié)晶。該團隊旨在進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)信息，以決定相應(yīng)的材料相對于材料工程中的特定成分要求是否穩(wěn)定或?qū)嵱谩?/p>

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