【研究背景】

高容量的O3型鈉基層狀過(guò)渡金屬氧化物材料NaTmO2是一種應(yīng)用前景廣闊的鈉電正極材料。但是，這類(lèi)材料的實(shí)際應(yīng)用受到了其固有的空氣敏感性的極大限制。針對(duì)這一問(wèn)題的改性策略通常有表面包覆和元素?fù)诫s兩種。但是，目前的改性手段主要還是依靠高通量實(shí)驗(yàn)的方式，其背后的機(jī)理尚不明晰。因此，深入的機(jī)理研究對(duì)設(shè)計(jì)高空氣穩(wěn)定性的O3型鈉基層狀氧化物至關(guān)重要。

【工作介紹】

近日，中科院化學(xué)所的郭玉國(guó)研究員與福建師范大學(xué)的黃志高教授、姚胡蓉副教授、黃藝吟教授等人提出了一種有效的改性策略：通過(guò)引入和氧軌道雜化作用較弱的過(guò)渡金屬組分，促進(jìn)更多的電荷從鈉到氧的轉(zhuǎn)移，形成更強(qiáng)的Na-O結(jié)合，進(jìn)而抑制活性晶格鈉的損失，顯著提升材料的空氣穩(wěn)定性。該文章以“Excellent Air Storage Stability of Na-Based Transition Metal Oxide Cathodes Benefiting from Enhanced Na?O Binding Energy” 為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials上。姚胡蓉副教授為本文第一作者。

圖1. 構(gòu)筑Na-O強(qiáng)結(jié)合改善空氣穩(wěn)定性的原理示意圖

【內(nèi)容表述】

當(dāng)O3型材料暴露于空氣中，鈉層會(huì)發(fā)生一系列的老化過(guò)程，如活性晶格鈉的自發(fā)脫出和水分子的嵌入等。基于此，作者提出通過(guò)提高鈉與宿主晶格之間的結(jié)合能有望提升材料的空氣穩(wěn)定性。一方面，老化反應(yīng)中的活性鈉脫出需要斷裂Na-O鍵，因此較高的Na-O結(jié)合能可以有效提升老化反應(yīng)所需的能量；另一方面，較高的Na-O結(jié)合能縮小了鈉層間距，較窄的鈉層空間作為物理屏障抑制了異質(zhì)分子的嵌入和晶格離子的自發(fā)脫出。

基于層狀過(guò)渡金屬氧化物中鈉層和過(guò)渡金屬層的交替垛堞結(jié)構(gòu)，作者提出通過(guò)在過(guò)渡金屬層摻雜半徑略大、費(fèi)米能級(jí)相異的離子，構(gòu)建和氧軌道雜化作用較弱的過(guò)渡金屬組分，促進(jìn)鈉原子上更多的電荷轉(zhuǎn)移至氧，形成更強(qiáng)的Na-O結(jié)合，進(jìn)而抑制活性晶格鈉損失和異質(zhì)分子的嵌入，顯著改善其空氣穩(wěn)定性。基于這一思想，本工作對(duì)兩種典型的O3型材料（NaFe0.5Co0.5O2(NaFC)和NaNi0.5Mn0.5O2(NaNM)）進(jìn)行了改性研究。選用Mg2+(半徑考慮)/Ti4+(費(fèi)米能級(jí)考慮)取代NaFC中的Fe3+，得到NaFe0.3Co0.5Mg0.1Ti0.1O2(NaFCMT)；用Ti4+(半徑考慮和費(fèi)米能級(jí)考慮)取代NaNM中的Mn4+，得到NaNi0.5Mn0.25Ti0.25O2(NaNMT)。

XRD結(jié)果（圖2）表明新合成的四個(gè)樣品均為O3型結(jié)構(gòu)。在空氣中暴露5天后，NaFC和NaNM材料形成大量的Na2CO3堿性雜質(zhì)，而改性后的樣品NaFCMT和NaNMT卻仍能保持原有的O3結(jié)構(gòu)，沒(méi)有任何新相的出現(xiàn)。

圖2. 樣品暴露空氣前后的XRD圖譜對(duì)比

通過(guò)對(duì)氧元素XPS結(jié)果（圖3）進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)NaFC和NaNM樣品暴露空氣后表面殘堿含量明顯增加，相比較而言，NaFCMT和NaNMT則變化不明顯。

圖3. 樣品暴露空氣前后XPS圖譜對(duì)比

對(duì)老化后樣品的TOF-SIMS深度分析（圖4）表明，改性后的NaFCMT和NaNMT樣品中Na?和NaCO3-信號(hào)分布更均勻，表明改性后的樣品有效地抑制了活性鈉的自發(fā)脫出和殘堿的形成。

圖4. TOF-SIMS深度分析結(jié)果。老化后NaFC和NaFCMT樣品（a）Na-和（b） NaCO3-信號(hào)深度曲線(xiàn)；老化后NaNM和NaNMT品（a）Na-和（b） NaCO3-信號(hào)深度曲線(xiàn)

活性晶格鈉的自發(fā)脫出會(huì)直接導(dǎo)致首圈充電容量的銳減，所以通過(guò)首圈電化學(xué)的對(duì)比能夠直觀(guān)表征材料的空氣穩(wěn)定性。如圖5，在空氣中暴露5天后，NaFC和NaNM僅能保持新鮮樣品80.6%和58.0%的首充容量，但改性后的NaFCMT和NaNMT能夠達(dá)到91.3%和93.8%的首充保持率。

圖5. 樣品暴露空氣前后首圈電化學(xué)曲線(xiàn)對(duì)比

NaFCMT和NaNMT首圈充放電過(guò)程的原位XRD圖譜（圖6）表明，充放電過(guò)程中NaFCMT和NaNMT經(jīng)歷的相變過(guò)程是完全可逆的。

圖6. NaFCMT和NaNMT的首圈電化學(xué)原位XRD圖譜

投影態(tài)密度計(jì)算結(jié)果（圖7）表明，F(xiàn)e/Co或Ni/Mn元素和氧軌道雜化較強(qiáng)，形成較強(qiáng)的共價(jià)鍵。而Mg2+和Ti4+元素在費(fèi)米能級(jí)附近沒(méi)有電子態(tài)，和氧層形成較弱的相互作用。這一較弱的Tm-O相互作用導(dǎo)致過(guò)渡金屬和氧鍵的增長(zhǎng)以及鈉原子上更多的電荷轉(zhuǎn)移至氧，形成更強(qiáng)的Na-O結(jié)合。

圖7. DFT計(jì)算結(jié)果（a）NaFC 和NaFCMT 的PDOS圖；（b）NaNM 和NaNMT的PDOS圖；（c）改性前后Tm-O鍵長(zhǎng)和各元素周?chē)鶥ader電荷數(shù)變化對(duì)比；（d）改性機(jī)理示意圖

【結(jié)論】

1.引入和氧軌道雜化較弱的過(guò)渡金屬組分可以有效調(diào)控鈉氧間的電荷轉(zhuǎn)移，構(gòu)筑更強(qiáng)的Na-O結(jié)合。

2.提高晶格鈉與宿主之間的結(jié)合能可以有效改善層狀過(guò)渡金屬氧化物的空氣穩(wěn)定性。

3.層狀過(guò)渡金屬氧化物的空氣穩(wěn)定性與dO-Tm-O/dO-Na-O的晶體堆積參數(shù)密切相關(guān)。

H.-R. Yao, X.-G. Yuan, X.-D. Zhang, Y.-J. Guo, L. Zheng, H. Ye, Y.-X. Yin, J. Li, Y. Chen, Y. Huang, Z. Huang, Y.-G. Guo, Excellent Air Storage Stability of Na-Based Transition Metal Oxide Cathodes Benefiting from Enhanced Na?O Binding Energy.Energy Storage Materials,2022.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.11.005

審核編輯 ：李倩