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鈉離子電池作為電化學儲能領域的新星，備受關注。然而，在設計高能量密度陰極材料時卻面臨難題：在（脫）鈉過程中，材料容易產(chǎn)生結構應變，難以兼顧容量與穩(wěn)定性。這種容量 - 穩(wěn)定性的權衡困境，嚴重制約了鈉離子電池的發(fā)展，急需找到創(chuàng)新的解決辦法，以滿足日益增長的儲能需求。

成果簡介

在這項研究中，南開大學的研究人員開發(fā)出一種 P2 層狀雙硅酸鋰取代的 Na0.7Li0.03 [Mg0.15Li0.07Mn0.75] O2（NMLMO）陰極材料，Li 離子同時占據(jù)過渡金屬（TM）和堿金屬（AM）位點。理論計算和實驗表征顯示，占據(jù) TM 位點的 Li 會產(chǎn)生 Na−O−Li 電子構型，提升氧陰離子氧化還原產(chǎn)生的容量；占據(jù) AM 位點的 Li 則像 LiO6 棱柱柱，抑制有害相變，穩(wěn)定分層結構。NMLMO 在 1.5 - 4.6V 寬電壓范圍內，展現(xiàn)出 266mAh g−1 的高比容量，且具備接近零應變的特性。

圖文導讀

材料結構與形貌：通過 HAADF - STEM、SAED 等技術，觀察到 NMLMO 材料的蜂窩狀層狀超晶格結構，以及元素分布情況，為理解其性能提供結構基礎。

電化學性能：對比 NMMO 和 NMLMO，NMLMO 在充放電曲線、循環(huán)性能等方面表現(xiàn)更優(yōu)，展現(xiàn)出高容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

電子結構與電荷補償：計算 pDOS 和 XANES 光譜表明，Li 離子在不同位點的作用不同，TM 位點 Li 促進氧氧化還原貢獻容量，AM 位點 Li 穩(wěn)定結構。

結論

研究人員成功開發(fā)出 NMLMO 陰極材料，打破了鈉電池陰極材料容量 - 穩(wěn)定性的權衡困境。該材料不僅比容量高，結構穩(wěn)定性也十分優(yōu)異，充放電時晶格體積變化僅 1.2%。研究還揭示了 Li 離子在不同位點的作用機制，為提高電池材料性能提供了新方向。這一成果有望推動鈉離子電池技術進步，在儲能領域實現(xiàn)更廣泛的應用，為能源存儲帶來新突破。