近十年來,拓撲結構一直是材料科學和凝聚態物理研究的重要領域。隨著大量有趣的拓撲結構的發現,為包括儲能材料在內的材料科學和基礎物理學開辟了新的領域。

隨著人們對可再生能源儲存的需求日益增長,低成本、環保、安全、高能量密度的鋰離子和鈉離子電池的研發顯得愈發重要。與作為商業正極材料主要成分的鈷和鎳元素相比,錳元素具有豐富的地殼含量,而且毒性較小,對電池大規模生產具有極大吸引力。其中,富鋰/鈉錳基正極由于額外的LOR,一般具有較高的容量和工作電壓(>4 V vs. Li+/Li或Na+/Na)。但LOR反應過程中存在不可逆的局部結構轉變或晶格氧損失,導致其循環穩定性差以及電壓滯后和衰減,影響了LOR材料的廣泛應用。LOR的穩定性和可逆性與原子結構和局部氧配位環境有很大關系,相關理論包括氧的孤對電子態、還原耦合機制、O-O二聚體、配位金屬電荷轉移(LMCT)、臨界氧空穴等。在此基礎上,探索與可逆LOR相兼容的富錳氧化物晶體結構,有利于實現可持續能源儲存。大多數穩定LOR的研究主要集中在根據元素的物理和化學特性進行摻雜。然而,最近人們的注意力已經轉移到探索和設計晶體結構來觸發可逆的LOR。從鋰層狀氧化物正極到鈉層狀氧化物正極、從有序層狀結構到陽離子無序結構、從過渡金屬堆積模型到層內超結構,對這些結構的理解呈現出一個逐漸深入的過程。另一方面,近十年來,拓撲結構一直是材料科學和凝聚態物理研究的重要領域。隨著大量有趣的拓撲結構的發現,為包括儲能材料在內的材料科學和基礎物理學開辟了新的領域。

鑒于此,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究人員提出了一種促進晶格氧氧化還原的拓撲保護機制,基于此機制的P3-NLMO正極在鈉半電池中呈現出良好的LOR可逆性,并在鋰半電池中提供了約240 mAh g-1的高容量和出色的容量保持率。研究人員發現同為帶狀結構,P3-NLMO在十次循環后的容量幾乎是P2-NLMO的兩倍(圖1)。結合球差電鏡及第一性原理計算確定了NLMO帶狀過渡金屬層的堆積序列,即一維拓撲結構(ODT),原始的P2-和P3-NLMO中分別為-α-β-堆積和-α-γ-堆積(圖2)。電化學和結構分析證實,在P3-NLMO中,-α-γ-堆積在鈉離子脫嵌過程中保持不變,其穩定的拓撲特征為可逆LOR提供了拓撲保護,而P2-NLMO中-α-β-堆積的拓撲特征則不能穩定保持,在循環過程中逐漸從-α-β-堆積演變為-α-γ-堆積,而-α-γ-模型容納更少的鈉離子,導致容量衰減(圖3、圖4)。研究人員使用一維拓撲序重新定義P3-NLMO結構(圖5),對應的拓撲序為RT= [1 3 5 ··· 2q + 1],而P2-NLMO為RT= [1 2 3 ··· q ]。區別于傳統相(O型或P型)定義,拓撲序作為層狀正極的一個新序參量,可以用來描述不均勻過渡金屬層之間的相互作用。在該研究中,P3-NLMO所具有的奇數型拓撲序更有利于維持結構的穩定性,從而提升LOR的可逆性。P3-NLMO正極在鋰半電池中,在電壓范圍為2.0 ~ 4.8 V和電流密度10 mA g-1的條件下,在第二個循環中提供了約240 mAh g-1的可逆容量,在30個循環后顯示出98%的容量保持率;而P2-NLMO容量為183 mAh g-1,30圈后容量保持率僅為60%。這項工作為開發高能量、低成本、環境可持續和安全的正極材料提供了強有力的指導。

相關成果以Topologically protected oxygen redox in a layered manganese oxide cathode for sustainable batteries為題于近日發表在Nature Sustainability上。該工作得到了科學技術部、中科院、國家自然科學基金委、北京市科學技術委員會、廣東省科學技術廳的支持。

中科院研究發現鈉離子電池正極材料中的拓撲保護機制

圖1 P2-和P3-Na0.6Li0.2Mn0.8O2正極材料的帶狀有序結構及電化學性能。(a) TM層的帶狀有序結構(···-Li-4Mn-Li-···);(b) P2和P3型結構示意圖;(c,d) P2-和P3-NLMO樣品的中子衍射數據使用DFT計算結構模型的精修結果;(e,f) P2-和P3-NLMO在Na半電池中10次循環的容量-電壓曲線,綠色或紅色圈附近的值是NaxLi0.2Mn0.8O2中不同充放電狀態下的Na含量(x

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圖2 初始P2-和P3-NLMO的ODT結構和Na構型。(a) 三種堆疊模型;(b) 一維拓撲結構;P2型:(c) 優化結構示意圖(側視圖和頂視圖);(d,e) HAADF-和ABF-STEM圖像(插圖為優化后的P2結構);P3型:(f)優化結構示意圖(側視圖和頂視圖);(g,h) HAADF-和ABF-STEM圖像(插圖為優化后的P3結構)

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圖3 P2-和P3-NaxLi0.2Mn0.8O2正極在循環過程中ODT結構的演變。P2-NLMO:(a)首次充電(4.5V)、(b)首次放電(3.5V)和(c)第十次放電3.5V)狀態下的HAADF-STEM圖像。P3-NLMO:(d)首次充電(4.5V)、(e)首次放電(3.5V)和(f)第十次放電(3.5V)狀態下的HAADF-STEM圖像;比例尺為1nm

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圖4 鈉離子脫嵌過程中的拓撲保護機制。P2-type:(a) 原始的-α-β-序列P2-NLMO結構;(b) 充電態(4.5V)的-α-γ-序列O2-Na0.2Li0.2Mn0.8O2結構;(c) 放電態(3.5V)的-α-β-序列P2-NLMO結構;(d) 放電態(3.5V)的-α-γ-序列P2-NLMO結構;(e) 從P2結構到O2結構的滑移路徑(a→b);(f) 從O2結構到P2結構的滑移路徑(b→c或d);P3類型:(g) 原始的-α-γ-序列P3-NLMO結構;(h) 充電態(4.5V)的-α-γ-序列P3-Na0.2Li0.2Mn0.8O2;(i) 放電態(3.5V)的-α-γ-序列P3-NLMO結構

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圖5 拓撲序。(a) -α-α-,(b) -α-β-和(c) -α-γ-序列的充電態結構;(d) 一維拓撲序;(e) 三維拓撲序;(f,g) Na半電池中P3-和P2-NLMO 20圈的容量電壓曲線;(h,i) Li半電池中P3-和P2-NLMO 30圈的容量電壓曲線

[責任編輯:陳語]

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