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天津师范大学在电池正极材料中的关键反应机理领域取得重要进展
发布:blast_k   时间:2020/5/19 15:54:19   阅读:154 
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近日,国际权威期刊《NanoEnergy》发表了天津师范大学关于钠离子正极材料中的关键反应机理研究论文“Negligible voltage hysteresis with strong anionic redox in conventional battery electrode”。化学学院代克化副教授为该论文第一作者和通讯作者,美国劳伦斯伯克利国家实验室刘杲研究员和杨万里研究员为共同通讯作者,天津师范大学为第一通讯单位。《NanoEnergy》是国际能源与材料化学领域重要学术期刊之一,最新影响因子为15.548。


 
传统的金属氧化物正极材料充放电过程中,随着碱金属(锂、钠、钾等)离子的嵌入/脱出,需要由过渡金属提供电荷补偿,即得失电子发生氧化还原反应,其所能够转移的电子数是正极材料的充放电比容量主要限制因素之一。近年来,随着对材料充放电过程和反应机制认识的深入,人们发现过去力求避免的阴离子(绝大多数为氧)氧化还原能够可逆进行并为正极材料提供超越传统机制的更高能量。然而依赖该机制的材料通常也存在较为严重的电压迟滞、首次库伦效率低、动力学性能差等问题,制约了其实用化。晶格阴离子(氧)氧化还原反应(ARR)为开发大容量电池提供了机会,然而,通常遭受着众所周知的高电压滞后和低初始库仑效率。特别地,ARR被广泛认为是这些动力问题的固有部分。

Na2/3Ni1/3Mn2/3O2是一种经典的钠离子电池正极材料,几乎不存在电压迟滞,首次效率也很高,特定充放电区间的动力学性能十分优异。其中Ni为+2价并可以被氧化至+4价,恰好可以补偿2/3个Na脱出的电荷转移,加之该材料高度可逆的充放电行为,使得人们长期以来就认为其充放电过程中只有Ni氧化还原反应参与电荷补偿。


 
本文利用基于同步辐射的共振非弹性X射线散射谱和X射线吸收光谱分析了其充放电过程中的阴阳离子价态变化,发现可逆的阴离子氧化还原在其中扮演了极为重要的角色。在Na2/3Ni1/3Mn2/3O2中发现了强且可逆的ARR的明确证据。研究表明,该材料表现出可忽略的电压滞后(0.1 V)和高的初始库仑效率与电化学的高度稳定性。研究团队对Ni、Mn和O状态的独立分析一致地解释了Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的氧化还原机制,这揭示了一个强大的ARR系统,具有简捷的动力学和高度稳定的电化学行为,这是以前只在传统的非富碱材料的阳离子氧化还原系统中发现的。这一颠覆传统认知的重要研究发现将启发人们进一步利用其中的机理去改进类似材料的电压和容量可逆性,从而有望研发出更具实用性的新型正极材料。

论文要点:1)在0.1 V电压滞后的Na2/3Ni1/3Mn2/3O2中显示出强的ARR;2)在传统材料中,强ARR具有高可逆的电化学特性;3)结果表明,在某些非富碱体系中,强ARR可能具有易化动力学。

来源    新材料资讯、天津师范大学

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