Ni3+抑制具有阴离子氧化还原活性钠离子电池正极材料的电压衰减

胡紫霖 牛耀申 容晓晖 胡勇胜

引用本文: 胡紫霖, 牛耀申, 容晓晖, 胡勇胜. Ni3+抑制具有阴离子氧化还原活性钠离子电池正极材料的电压衰减[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6): 230600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306005 shu
Citation:  Zilin Hu, Yaoshen Niu, Xiaohui Rong, Yongsheng Hu. Suppression of Voltage Decay through Ni3+ Barrier in Anionic-Redox Active Cathode for Na-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(6): 230600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306005 shu

Ni3+抑制具有阴离子氧化还原活性钠离子电池正极材料的电压衰减

    通讯作者: 容晓晖, rong@iphy.ac.cn; 胡勇胜, yshu@iphy.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发规划 2022YFB2402500

    国家自然科学基金 51725206

    国家自然科学基金 52122214

    国家自然科学基金 52072403

    国家自然科学基金 52002394

    中国科学院青年创新促进会 2020006

    北京市自然科学基金 2212022

    中国科协青年人才托举工程 2022QNRC001

摘要: 由于钠资源丰富,钠离子电池在大规模储能方面显示出巨大的潜力。随着近年来研究的深入,在正极材料中引入适量的阴离子氧化还原可以有效地提升钠离子电池的能量密度,同时减少高成本过渡金属元素如V、Co和Ni等的用量。有研究表明,材料循环过程中不可逆的氧损失以及Mn4+/Mn3+氧化还原的激活,导致了层状氧化物正极材料持续的电压衰减。本工作通过在Nax[Li,Ni,Mn]O2基钠离子电池正极材料中引入Ni3+作为Mn4+/Mn3+氧化还原屏障,利用Ni3+/Ni2+的氧化还原代替Mn4+/Mn3+的氧化还原,成功抑制了材料的电压衰减。电化学测试结果显示,改性材料在不损失容量的前提下,循环稳定性得到明显提升。X射线光电子能谱结果也验证了Ni3+的引入有利于维持材料多周循环后Mn价态的稳定。

English

    1. [1]

      Li, Y.; Lu, Y.; Zhao, C.; Hu, Y.-S.; Titirici, M.-M.; Li, H.; Huang, X.; Chen, L. Energy Stor. Mater. 2017, 7, 130. doi: 10.1016/j.ensm.2017.01.002

    2. [2]

      Zhao, E.; Nie, K.; Yu, X.; Hu, Y. S.; Wang, F.; Xiao, J.; Li, H.; Huang, X. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707543. doi: 10.1002/adfm.201707543

    3. [3]

      Zhao, C.; Liu, L.; Qi, X.; Lu, Y.; Wu, F.; Zhao, J.; Yu, Y.; Hu, Y.-S.; Chen, L. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703012. doi: 10.1002/aenm.201703012

    4. [4]

      Zhao, C.; Lu, Y.; Yue, J.; Pan, D.; Qi, Y.; Hu, Y.-S.; Chen, L. J. Energy Chem. 2018, 27, 1584. doi: 10.1016/j.jechem.2018.03.004

    5. [5]

      Lu, Z.; Dahn, J. R. J. Electrochem. Soc. 2001, 148, 1225. doi: 10.1149/1.1407247

    6. [6]

      Lee, D. H.; Xu, J.; Meng, Y. S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 3304. doi: 10.1039/c2cp44467d

    7. [7]

      Kim, D.; Kang, S.-H.; Slater, M.; Rood, S.; Vaughey, J. T.; Karan, N.; Balasubramanian, M.; Johnson, C. S. Adv. Energy Mater. 2011, 1, 333. doi: 10.1002/aenm.201000061

    8. [8]

      Clément, R. J.; Xu, J.; Middlemiss, D. S.; Alvarado, J.; Ma, C.; Meng, Y. S.; Grey, C. P. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 4129. doi: 10.1039/c6ta09601h

    9. [9]

      Wang, P. F.; You, Y.; Yin, Y. X.; Wang, Y. S.; Wan, L. J.; Gu, L.; Guo, Y. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 7445. doi: 10.1002/anie.201602202

    10. [10]

      Xu, J.; Lee, D. H.; Clément, R. J.; Yu, X.; Leskes, M.; Pell, A. J.; Pintacuda, G.; Yang, X.-Q.; Grey, C. P.; Meng, Y. S. Chem. Mater. 2014, 26, 1260. doi: 10.1021/cm403855t

    11. [11]

      Yoshida, H.; Yabuuchi, N.; Kubota, K.; Ikeuchi, I.; Garsuch, A.; Schulz-Dobrick, M.; Komaba, S. Chem. Commun. 2014, 50, 3677. doi: 10.1039/c3cc49856e

    12. [12]

      Wu, X.; Guo, J.; Wang, D.; Zhong, G.; McDonald, M. J.; Yang, Y. J. Power Sources 2015, 281, 18. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.12.083

    13. [13]

      Kubota, K.; Yoda, Y.; Komaba, S. J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A2368. doi: 10.1149/2.0311712jes

    14. [14]

      Kubota, K.; Kumakura, S.; Yoda, Y.; Kuroki, K.; Komaba, S. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703415. doi: 10.1002/aenm.201703415

    15. [15]

      Komaba, S.; Yabuuchi, N.; Nakayama, T.; Ogata, A.; Ishikawa, T.; Nakai, I. Inorg. Chem. 2012, 51, 6211. doi: 10.1021/ic300357d

    16. [16]

      Qi, X.; Wang, Y.; Jiang, L.; Mu, L.; Zhao, C.; Liu, L.; Hu, Y.-S.; Chen, L.; Huang, X. Part. Part. Syst. Charact. 2016, 33, 538. doi: 10.1002/ppsc.201500129

    17. [17]

      Wang, P. F.; Yao, H. R.; Liu, X. Y.; Zhang, J. N.; Gu, L.; Yu, X. Q.; Yin, Y. X.; Guo, Y. G. Adv. Mater. 2017, 29, 1700210. doi: 10.1002/adma.201700210

    18. [18]

      Zheng, L.; Obrovac, M. N. Electrochim. Acta 2017, 233, 284. doi: 10.1016/j.electacta.2017.03.033

    19. [19]

      Zheng, S.; Zhong, G.; McDonald, M. J.; Gong, Z.; Liu, R.; Wen, W.; Yang, C.; Yang, Y. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 9054. doi: 10.1039/c6ta02230h

    20. [20]

      Yabuuchi, N.; Hara, R.; Kajiyama, M.; Kubota, K.; Ishigaki, T.; Hoshikawa, A.; Komaba, S. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1301453. doi: 10.1002/aenm.201301453

    21. [21]

      Du, K.; Zhu, J.; Hu, G.; Gao, H.; Li, Y.; Goodenough, J. B. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2575. doi: 10.1039/c6ee01367h

    22. [22]

      Rong, X.; Liu, J.; Hu, E.; Liu, Y.; Wang, Y.; Wu, J.; Yu, X.; Page, K.; Hu, Y.-S.; Yang, W.; et al. Joule 2018, 2, 125. doi: 10.1016/j.joule.2017.10.008

    23. [23]

      de la Llave, E.; Talaie, E.; Levi, E.; Nayak, P. K.; Dixit, M.; Rao, P. T.; Hartmann, P.; Chesneau, F.; Major, D. T.; Greenstein, M.; et al. Chem. Mater. 2016, 28, 9064. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b04078

    24. [24]

      Rong, X.; Hu, E.; Lu, Y.; Meng, F.; Zhao, C.; Wang, X.; Zhang, Q.; Yu, X.; Gu, L.; Hu, Y.-S.; et al. Joule 2019, 3, 503. doi: 10.1016/j.joule.2018.10.022

    25. [25]

      Yabuuchi, N.; Hara, R.; Kubota, K.; Paulsen, J.; Kumakura, S.; Komaba, S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 16851. doi: 10.1039/c4ta04351k

    26. [26]

      Dai, K.; Wu, J.; Zhuo, Z.; Li, Q.; Sallis, S.; Mao, J.; Ai, G.; Sun, C.; Li, Z.; Gent, W. E.; et al. Joule 2019, 3, 518. doi: 10.1016/j.joule.2018.11.014

    27. [27]

      Mortemard de Boisse, B.; Nishimura, S.-i.; Watanabe, E.; Lander, L.; Tsuchimoto, A.; Kikkawa, J.; Kobayashi, E.; Asakura, D.; Okubo, M.; Yamada, A. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800409. doi: 10.1002/aenm.201800409

    28. [28]

      Li, Y.; Wang, X.; Gao, Y.; Zhang, Q.; Tan, G.; Kong, Q.; Bak, S.; Lu, G.; Yang, X. Q.; Gu, L.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 9, 1803087. doi: 10.1002/aenm.201803087

    29. [29]

      Song, B.; Tang, M.; Hu, E.; Borkiewicz, O. J.; Wiaderek, K. M.; Zhang, Y.; Phillip, N. D.; Liu, X.; Shadike, Z.; Li, C.; et al. Chem. Mater. 2019, 31, 3756. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b00772

    30. [30]

      Seo, D. H.; Lee, J.; Urban, A.; Malik, R.; Kang, S.; Ceder, G. Nat. Chem. 2016, 8, 692. doi: 10.1038/nchem.2524

    31. [31]

      Zhao, C.; Wang, Q.; Lu, Y.; Hu, Y.-S.; Li, B.; Chen, L. J. Phys. D 2017, 50, 183001. doi: 10.1088/1361-6463/aa646d

    32. [32]

      Rong, X.; Gao, F.; Lu, Y.; Yang, K.; Hu, Y. Chin. Chem. Lett. 2018, 29, 1791. doi: 10.1016/j.cclet.2018.11.023

    33. [33]

      Ku, K.; Hong, J.; Kim, H.; Park, H.; Seong, W. M.; Jung, S.-K.; Yoon, G.; Park, K.-Y.; Kim, H.; Kang, K. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800606. doi: 10.1002/aenm.201800606

    34. [34]

      Hong, J.; Seo, D.-H.; Kim, S.-W.; Gwon, H.; Oh, S.-T.; Kang, K. J. Mater. Chem. 2010, 20, 10179. doi: 10.1039/c0jm01971b

    35. [35]

      Evstigneeva, M. A.; Nalbandyan, V. B.; Petrenko, A. A.; Medvedev, B. S.; Kataev, A. A. Chem. Mater. 2011, 23, 1174. doi: 10.1021/cm102629g

    36. [36]

      Li, Y.; Deng, Z.; Peng, J.; Chen, E.; Yu, Y.; Li, X.; Luo, J.; Huang, Y.; Zhu, J.; Fang, C.; et al. Chem. Eur. J. 2018, 24, 1057. doi: 10.1002/chem.201705466

    37. [37]

      Wang, Y.; Yu, X.; Xu, S.; Bai, J.; Xiao, R.; Hu, Y. S.; Li, H.; Yang, X. Q.; Chen, L.; Huang, X. Nat. Commun. 2013, 4, 2365. doi: 10.1038/ncomms3365

    38. [38]

      Xia, H.; Lu, L.; Ceder, G. J. Power Sources 2006, 159, 1422. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.12.01

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  • 发布日期:  2024-06-15
  • 收稿日期:  2023-06-01
  • 接受日期:  2023-07-17
  • 修回日期:  2023-06-29
  • 网络出版日期:  2023-08-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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