三单位联合JACS：钠电中P2型正极材料层间阳离子有序性对钠传输的影响

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三单位联合JACS：钠电中P2型正极材料层间阳离子有序性对钠传输的影响
钠离子电池（SIBs）由于其丰富的元素资源，被认为是一种有前途的电化学存储技术。在SIBs的正极材料中，层状过渡金属氧化物（LTMOs）因其密集的结构和高氧化还原电位而被广泛研究。其中，P2结构（空间群P63/mmc）因其快速的Na+传输特性而受到关注。
三单位联合JACS：钠电中P2型正极材料层间阳离子有序性对钠传输的影响
在此，博伊西州立大学熊晖，加州大学Shyue Ping Ong，橡树岭国家实验室Naresh C. Osti等人详细探讨了P2型正极材料Na0.67−xLiyNi0.33−zMn0.67+zO2（PNNMO）在钠离子电池中的电化学性能，特别是层间阳离子的有序性对钠离子传输特性的影响。
作者通过中子/X射线衍射和密度泛函理论（DFT）计算发现锂掺杂（如Na2/3Li0.05Ni1/3Mn2/3O2，简称LFN5）可以促进ABC型层间镍/锰有序排列，同时不破坏钠离子/空位有序性，并创造出低能量的锂-锰配位扩散通道。此外，通过准弹性中子散射（QENS）揭示了钠离子在LFN5中的扩散性比PNNMO提高了整整一个数量级，从而在高电流下提高了其容量。
三单位联合JACS：钠电中P2型正极材料层间阳离子有序性对钠传输的影响
图1. P2型结构中过渡金属（TM）层的蜂窝状有序排列
总之，该工作通过精确控制P2型Na0.67−xLiy Ni0.33−zMn0.67+zO2材料中层间阳离子的有序性，可以显著影响钠离子的扩散动力学和电池的电化学性能。研究发现，锂掺杂（如LFN5样品）能够在不破坏钠离子/空位有序性的前提下，促进形成ABCABC型层间过渡金属（Ni/Mn）有序排列，从而创造出低能量的锂-锰配位扩散通道。这种结构上的优化导致了钠离子扩散性的显著提升，尤其是在高电流密度下，其提高了材料的比容量和倍率性能。
基于此，通过调节层间阳离子的有序性，可以作为一种有效的策略来优化P2型正极材料的性能。因此，该工作为开发高功率钠离子电池提供了新的视角和方法。
三单位联合JACS：钠电中P2型正极材料层间阳离子有序性对钠传输的影响
图2. 准弹性中子散射（QENS）和电化学测试结果
Influence of Interlayer Cation Ordering on Na Transport in P2-Type Na0.67–xLiy Ni0.33–zMn0.67+zO2 for Sodium-Ion Batteries, Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c00869

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