NCFMT和NCFMS樣品的原子結構差異 圖片來源：中科院物理所
鈉離子電池中正極材料的性能直接影響電池的循環壽命。傳統的三元鈉離子層狀氧化物正極材料中，可變價元素通常趨向于均勻分布以減小體系的能量。這是由于該材料一旦發生氧化態的改變，局部結構會發生變化而導致相變發生。在過往的研究中，高熵層狀氧化物正極材料展現出較多優勢，但存在一些尚未解決的問題。其中，最突出的問題是過渡金屬層含有不同的過渡金屬離子，而不同的離子質量、半徑尺寸和價電子構型可能導致材料內部產晶格應變。這種晶格應變不僅影響材料的結構完整性，而且可能導致電化學性能的退化。因此，亟需開發既能有效抑制晶格應變又能最大化利用高熵效應以穩定材料結構的設計策略。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心科研人員與合作者，設計了兩種O3型高熵氧化物——在過渡金屬層中僅含3d過渡金屬的氧化物NaNi0.3Cu0.1Fe0.2Mn0.3Ti0.1O2（NCFMT）以及以Sn取代Ti的非全3d過渡金屬的氧化物NaNi0.3Cu0.1Fe0.2Mn0.3Sn0.1O2（NCFMS），并探討了兩種材料的結構特征和電化學性能。研究發現，這兩種材料在原始狀態下均表現出均勻的元素分布，但NCFMS所含過渡金屬離子大小、質量和價電子構型不匹配導致晶格畸變，在過渡金屬層內表現出明顯的晶格應變。研究通過像差校正高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡和原子級能量色散x射線能譜，分析了循環后的樣品。研究發現，在循環過程中，過渡金屬層中的本征應變和累積晶格應變促進金屬離子的遷移，導致NCFMS正極顆粒內部和表面的元素偏析和裂紋形成。相比之下，NCFMT全3d過渡金屬組成具有更好的結構-電化學兼容性，提升了循環過程中的結構穩定性，減少了電極材料的晶格應力積聚、離子遷移和機械化學疲勞損傷。因此，NCFMT具有相對優異的半電池和全電池循環穩定性。
這一成果為高熵氧化物正極材料的元素組成設計指明了方向，并為開發適用于鈉離子電池的長壽命層狀氧化物正極材料提供了潛在的解決方案。
近日，相關研究成果以Tailoring planar strain for robust structural stability in high-entropy layered sodium oxide cathode materials為題，發表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院青年創新促進會會員項目和江蘇省相關項目的支持。
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