阿贡JACS: 原位XRD研究可充电镁离子电池的尖晶石正极中镁离子迁移机制

尖晶石氧化物是用于可逆插入Mg²⁺的有前途的高压正极材料，Mg²⁺尖晶石正极的进一步优化需要对所有可移动阳离子（Mg²⁺和Mn²⁺）的迁移机制以及主体结构的相应演变有全面和基本的了解。

动态现场原位 (Operando) XRD是用于研究电化学过程中锂离子和钠离子电池系统的最流行和最发达的高级表征技术之一。而关于镁电池系统的原位XRD研究鲜有报道，动态现场原位技术尚未应用于研究镁离子电池（MIB）的尖晶石氧化物正极。

在此，美国阿贡国家实验室Saul H. Lapidus等人设计了一种新的Operando电池装置研究MgCrMnO₄正极的阳离子迁移机制，这也首次实现了利用高质量的Operando XRD数据对多价电池主体结构中阳离子含量的准确量化。

这对于理解 Mg²⁺嵌入/脱出所涉及的复杂机制至关重要。除了在Mg_1-xCrMnO₄ (X≤1)中12% Mg²⁺嵌入的异常可逆性之外，研究人员还观察到在过放电期间过量Mg²⁺的部分可逆嵌入。

图1. 动态现场原位同步加速器XRD图谱

此外，实验表明插入/提取反应伴随着尖晶石框架中的一系列阳离子重新分布，这得到了DFT理论计算的进一步支持，调整Mg/Mn转化率是进一步优化镁离子电池的尖晶石氧化物正极的直接途径。

本研究对于理解多价离子插入体系的复杂机制具有重要意义，这种方法普遍适用于其他电池材料的研究，为理解和设计储能材料开辟了重要途径。

图2. 阳离子迁移过程示意图

Operando X-ray Diffraction Studies of the Mg-Ion Migration Mechanisms in Spinel Cathodes for Rechargeable Mg-Ion Batteries. Journal of the American Chemical Society. 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c04098

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04098

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阿贡JACS: 原位XRD研究可充电镁离子电池的尖晶石正极中镁离子迁移机制

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