Figura 1. Desempenho eletroquímico de óxidos em camadas P3-Na0.6O2: (A) Curvas típicas de carga e descarga a taxas de 0,1 C e 2,0 C, (B) Desempenho do ciclo a taxas de 0,1 C e 2,0 C.
Figura 2. Comparação de nPDF e xPDF para os estados inicial e carregado de P3-Na0.6'Li0.2Mn0.8'O2
Figura 3. Análise da estrutura do estado da carga com base no refinamento da difração de nêutrons
Óxido de camada metálica de transição intrínseca (AMO2, A = Li + ou Na +, M = Metal de transição) é um importante material de cátodo de bateria de íon de lítio / íon de sódio. Tradicionalmente, a reação de redox dos metais de transição fornece desintercalação iónica Por conseguinte, a capacidade do material catódico é limitada pela capacidade redox do metal de transição no material de óxido em camadas. No entanto, este conceito convencional não está satisfeito com a bateria de iões de lítio, material de cátodo de óxido em camadas rico em lítio (estrutura O3 Li 'LixM1-x'O2). O material rico em lítio tem capacidade reversível ultra-alta (300mAh / g), mas a fonte dessa capacidade não pode ser explicada por apenas redox de metal de transição. Um grande número de estudos mostrou que o lítio é rico O oxigênio em camada em materiais em caminha envolve ganhos e perdas em processos eletrônicos para fornecer capacidade adicional Na verdade, não apenas materiais ricos em lítio, muitos materiais de óxido em camadas podem permitir a participação de oxigênio em processos eletroquímicos que proporcionam capacidade adicional para compensação de carga. No entanto, como o oxigênio na rede participa na compensação de carga, como alcançar a mudança reversível do preço do oxigênio sempre foi um tema quente no debate e esclarecer a relação entre a estrutura do cristal e o processo de troca de íons de oxigênio A chave para o mecanismo de reação.
Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências / Pequim Laboratório Nacional de grupo Física da Matéria Condensada (fichas) Key Laboratório de Energia Limpa E01 de estudantes de doutoramento e outros conteúdos Scenic, sob a orientação do Professor Yu Xi humilde pesquisador Hu Yongsheng, etc., e Oak Ridge National Laboratory Dr. Liu Jue, Dr. US Brookhaven nacional pesquisador laboratório Huen Yuan e Yang Xiaoqing, Lawrence Berkeley nacional pesquisador laboratório Yang Wanli, Centro de acelerador linear, pesquisador da Universidade de Stanford Liu Yi Jin e outras formas de cooperação, por espalhamento de nêutrons, tecnologia de radiação síncrotron e outros métodos de caracterização avançadas , estudo detalhado do mecanismo de reservatório de sódio (Fig. 1) de material de eléctrodo positivo P3-Na0.6'Li0.2Mn0.8'O2 bateria de iões de sódio e a reacção redox altamente reversível apenas com a participação de iões de oxigénio para esclarecer o material submetido a oxigénio reversível Actividade de Redox aniónica reversível induzida por estrutura no cátodo de óxido em camadas de Na, publicada no Joule.
Usando a função de distribuição de par neutrons (nPDF) combinada com técnicas de difração de raios X e nêutrons, a equipe de pesquisa investigou o efeito do oxigênio na estrutura cristalina do oxigênio no óxido anódico P3 antes e depois da reação eletroquímica bem como relacionada ao oxigênio Das mudanças de estrutura de curto alcance, confirmadas pela variável reversível, o material induzido pelo oxigênio, as mudanças na estrutura da fase reversível no método de pesquisa usado para estudar mudanças de estrutura de cristal relacionadas com a compensação de carga de oxigênio pela primeira vez, os resultados mostrados na Figura 2. Difração de pó de neutrons Os resultados refinados (Fig. 3) mostram que a estrutura do material após o carregamento ainda é uma estrutura em camadas em fase P com um grande número de falhas de empilhamento. A ocupação de oxigênio obtida após o acabamento ainda é 1, demonstrando que após o carregamento quase Não há perda de oxigênio na rede. Através da análise dos resultados acima, verifica-se que a estrutura de cristal do material tem um papel regulador chave para seu comportamento reversível de mudança de preço do oxigênio: a estrutura P tem um espaçamento entre aspas maior (fase relativa de O3) Traga a distorção da rede, ao mesmo tempo que um espaçamento de camada maior pode efetivamente inibir a migração de catiões para a camada de metal alcalino durante a carga (material rico em lítio ocorre na estrutura de espinela em camadas Mudar), a estabilidade da estrutura em camadas, de modo que a reacção de oxidação-redução de iões de oxigénio de forma reversível.
Este estudo elucida o mecanismo da reação redox reversível de íons de oxigênio do ponto de vista da estrutura do material e fornece uma nova idéia para projetar materiais de cátodo de íon de lítio / ião de alta voltagem e alta capacidade com uma mudança de preço de oxigênio estável e reversível. A pesquisa introduziu uma função de distribuição de par de neutrões (nPDF) como uma ferramenta poderosa para ampliar a dimensão da pesquisa.
A pesquisa foi apoiada pelo Programa Nacional de Pesquisa Básica da China (Programa 973), Fundação Nacional de Ciências da Juventude Destaque, Grupo de Pesquisa Inovador da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e Programa de Cem Talentos da Academia Chinesa das Ciências.
