研究背景
钠离子电池（NIBs）因其低生产成本和材料丰富性，成为了静态能源存储领域的研究热点。然而，钠离子电池的广泛应用面临着正极材料结构可逆性差和能量保持能力低等挑战。特别是层状过渡金属氧化物（NaxTMO2）正极材料在循环过程中常常出现严重的结构降解问题，这主要源于金属离子迁移和氧化还原反应导致的晶格应变和微裂纹。为了解决这些问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心陆雅翔副研究员、苏东研究员、胡勇胜研究员和北京科技大学毛慧灿博士合作在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Tailoring planar strain for robust structural stability in high-entropy layered sodium oxide cathode materials”的最新论文。研究人员提出了一种创新的解决方案，即开发高熵氧化物正极材料。高熵氧化物材料通过将多种金属离子引入到TMO2层中，显著提高了材料的热稳定性和电化学性能。研究发现，这些材料的优越性能主要得益于高的构型熵和局部无序性，这些因素有助于在钠离子的脱嵌过程中保持结构稳定。然而，现有研究表明，虽然高熵氧化物具有优越的性能，但在实际应用中仍存在如晶格畸变等问题，这影响了材料的稳定性和性能。因此，研究人员通过比较不同的高熵正极材料，揭示了元素兼容性对材料结构可逆性和能量保持的关键作用。这些研究成果表明，高兼容性的元素组合可以显著改善正极材料的循环稳定性和能量密度，为未来高性能钠离子电池的研发提供了宝贵的设计指导。
研究亮点
1. 实验首次揭示了高熵层状正极材料中元素兼容性的关键作用。通过对比两种具有不同晶格微应变的相似材料，研究了高熵正极材料中元素兼容性对结构可逆性和能量保持的影响。2. 实验通过分析NCFMS和NCFMT两种材料的结构与性能，得到了以下结果：
图文解读
图1： NCFMT和NCFMS样品的原子结构和应力水平差异。 图4: 循环后的NCFMS和NCFMT正极的结构表征。图6：NCFMT//HC全电池在不同电压范围下的性能。
总结展望
本文的研究揭示了组分元素之间高兼容性在高熵层状正极材料的结构可逆性和能量保持中的关键作用。通过比较具有不同晶格微应变的两种相似材料，研究发现，NCFMS正极材料中显著的微应变主要由于Sn4+与其他3d过渡金属离子在原子尺寸、质量和价电子配置上的差异引起的金属离子位移。这种应变引发了局部平面应变及晶格应变，从而促进了金属离子迁移和Sn的分离，最终导致正极颗粒的失效。而NCFMT材料由于其TMO2层中组分元素的高机械化学兼容性，展示了显著的电化学性能提升，包括高能量密度和优良的循环稳定性。本文的研究强调了在设计高性能高熵正极材料时精确选择元素的重要性，提出了优化高熵氧化物正极成分的新思路，并为开发具有长寿命的层状氧化物正极材料提供了坚实的设计指导。这一发现为高熵正极材料的理性优化开辟了前景广阔的研究方向，并推动了其在钠离子电池商业应用中的实际应用。 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
