全文速覽

提高層狀氧化物正極的充電深度是提升鈉離子電池對(duì)其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手磷酸鐵鋰電池競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵途徑。然而，由于復(fù)雜相變、局部共價(jià)環(huán)境演化和電荷補(bǔ)償之間的關(guān)聯(lián)性模糊不清，導(dǎo)致不可逆結(jié)構(gòu)畸變與可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化之間的邊界難以區(qū)分。在此，本文以03-NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2為原型正極材料，對(duì)其脫鈉過(guò)程的相變路徑、電荷補(bǔ)償機(jī)制、局域共價(jià)環(huán)境演化進(jìn)行了全面而深入的分析。

背景介紹

低成本的鈉離子電池（NIB）被定位為鋰離子電池（LIB）的有前景的替代品。03型層狀氧化物正極材料由于其高理論容量和易于合成而具有巨大的潛力。相關(guān)研究也取得了一定的進(jìn)步，但仍然存在一些尚未完全理解的問(wèn)題。相比于鋰離子電池鎳鈷錳基正極材料（NCM）成熟的研究，對(duì)鈉離子電池鎳鐵錳基材料（NFM）的研究仍有很多模糊不清的地方。關(guān)于NFM在脫鈉過(guò)程中的相變、電荷補(bǔ)償機(jī)制以及局部共價(jià)環(huán)境的變化等方面的研究還不夠充分，還有很多問(wèn)題有待解答。

研究出發(fā)點(diǎn)

鈉離子電池因其豐富的鈉資源和低成本而聞名。特別是采用NFM正極的鈉離子電池的能量密度是目前可用的鈉離子電池中最高的，且擁有相對(duì)較低的成本。然而，根據(jù)寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司（CATL）的嚴(yán)格計(jì)算，在目前常規(guī)的充電深度下，基于NFM正極的鈉離子電池在成本上并不比其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手磷酸鐵鋰電池有優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，我們必須要對(duì)高壓下NFM的結(jié)構(gòu)演變有更清晰的認(rèn)識(shí)，從而幫助我們提高其充電深度。

圖文解析

*相變路徑*：在常規(guī)的充電過(guò)程下，NFM111從O3相轉(zhuǎn)變?yōu)镻3相，而在更高充電深度時(shí)會(huì)經(jīng)歷P3與OP2兩相共存以及OP2/O3共生相演變階段。這種相變與P2相NLFMO更常見(jiàn)的的O/P共生相不同。

*電荷補(bǔ)償機(jī)制*：在整個(gè)充電過(guò)程中，容量貢獻(xiàn)來(lái)自于Ni和Fe的氧化反應(yīng)。通過(guò)XANES及其2D cos分析，在4.0 V前，主要通過(guò)Ni的氧化提供電荷補(bǔ)償；而在高充電深度時(shí)，F(xiàn)e開(kāi)始參與氧化反應(yīng)，成為主要的容量貢獻(xiàn)者。

*局部共價(jià)環(huán)境變化*：結(jié)合EXAFS分析，我們認(rèn)為Fe的氧化導(dǎo)致的Jahn-Teller效應(yīng)會(huì)加劇FeO6八面體的結(jié)構(gòu)畸變，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致長(zhǎng)期循環(huán)中的結(jié)構(gòu)降解。

*快充條件下的電荷補(bǔ)償*：在快充條件下（3C），F(xiàn)e的氧化反應(yīng)提前參與充電補(bǔ)償，表現(xiàn)出充電速率對(duì)Ni和Fe的氧化還原動(dòng)力學(xué)的調(diào)控作用。

總結(jié)與展望

本研究通過(guò)系統(tǒng)分析NFM111的結(jié)構(gòu)演變，揭示了其在高充電深度下的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定因素，為未來(lái)鈉離子電池層氧正極材料的改良提供了理論基礎(chǔ)。