钠离子电池正极材料中的拓扑保护机制的发现-凯发k8旗舰厅注册登录

　　随着人们对可再生能源储存的需求日益增长，低成本、环保、安全、高能量密度的锂离子和钠离子电池的研发显得愈发重要。与作为商业正极材料主要成分的钴和镍元素相比，锰元素具有丰富的地壳含量，而且毒性较小，对电池大规模生产具有极大的吸引力。其中，富锂/钠锰基正极由于额外的lor，一般具有较高的容量和工作电压（>4 v vs. li /li或na /na）。但lor反应过程中存在不可逆的局部结构转变或晶格氧损失，导致其循环稳定性差以及电压滞后和衰减，影响了lor材料的广泛应用。lor的稳定性和可逆性与原子结构和局部氧配位环境有很大关系，相关的理论包括氧的孤对电子态，还原耦合机制，o-o二聚体，配位金属电荷转移（lmct），临界氧空穴等等理论。在此基础上，探索与可逆lor相兼容的富锰氧化物晶体结构，有利于实现可持续能源储存。大多数稳定lor的研究主要集中在根据元素的物理和化学特性进行掺杂。然而，最近人们的注意力已经转移到探索和设计晶体结构来触发可逆的lor。从锂层状氧化物正极到钠层状氧化物正极，从有序层状结构到阳离子无序结构，以及从过渡金属堆积模型到层内超结构，对这些结构的理解呈现出一个逐渐深入的过程。另一方面，近十年来，拓扑结构一直是材料科学和凝聚态物理研究的一个重要领域。随着大量有趣的拓扑结构的发现，为包括储能材料在内的材料科学和基础物理学开辟了新的领域。

　　鉴于此，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心a04谷林研究组与e01胡勇胜研究组开展了密切合作。博士生高昂和张庆华副研究员为论文第一作者，谷林研究员、胡勇胜研究员与容晓晖博士为共同通讯作者。该工作提出了一种促进晶格氧氧化还原的拓扑保护机制，基于此机制的p3-nlmo正极在钠半电池中呈现出良好的lor可逆性，并在锂半电池中提供了约240 mah g^-1的高容量和出色的容量保持率。在此项研究中，作者发现同为带状结构，p3-nlmo在十次循环后的容量几乎是p2-nlmo的两倍（图一）。结合球差电镜及第一性原理计算确定了nlmo带状过渡金属层的堆积序列，即一维拓扑结构（odt）结构，原始的p2-和p3-nlmo中分别为-α-β-堆积和-α-γ-堆积（图二）。电化学和结构分析证实，在p3-nlmo中，-α-γ-堆积在钠离子脱嵌过程中保持不变，其稳定的拓扑特征为可逆lor提供了拓扑保护，而p2-nlmo中-α-β-堆积的拓扑特征则不能稳定保持，在循环过程中逐渐从-α-β-堆积演变为-α-γ-堆积，而-α-γ-模型容纳更少的钠离子，导致容量衰减(图三、图四)。我们使用一维拓扑序来重新定义p3-nlmo结构(图五)，对应的拓扑序为r^t= [1 3 5 ··· 2q 1]，而p2-nlmo为r^t= [1 2 3 ··· q ]。区别于传统相（o型或p型）定义，拓扑序作为层状正极的一个新序参量，可以用来描述不均匀过渡金属层之间的相互作用。在本工作中，p3-nlmo所具有的奇数型拓扑序更有利于维持结构的稳定性，从而提升lor的可逆性。p3-nlmo正极在锂半电池中，在电压范围为2.0 ~ 4.8 v和电流密度10 ma g^-1的条件下，在第二个循环中提供了约240 mah g^-1的可逆容量，在30个循环后显示出98%的容量保持率；而p2-nlmo容量为183 mah g^-1，30圈后容量保持率仅为60%。这项工作为开发高能量、低成本、环境可持续和安全的正极材料提供了强有力的指导。

　　该工作得到了科技部（2019yfa0308500）、中国科学院（xdb07030200, xda21070500）、国家自然科学基金委（1672307、51991344、52025025、52072400、52002394、51725206、11805034、21704105、u1930102）、北京市科学技术委员会（z190010、l182056）、广东省科学技术厅（2017a030313021）的支持。相关成果以“topologically protected oxygen redox in a layered manganese oxide cathode for sustainable batteries”为题，于2021年12月2日发表在nature sustainability上。

文章信息：
ang gao#, qinghua zhang#, xinyan li, tongtong shang, zhexin tang, xia lu, yanhong luo, jiarun ding, wang hay kan, huaican chen, wen yin, xuefeng wang, dongdong xiao, dong su, hong li, xiaohui rong*, xiqian yu, qian yu, fanqi meng, cewen nan, claude delmas, liquan chen, yong-sheng hu* and lin gu*. topologically protected oxygen redox in a layered manganese oxide cathode for sustainable batteries. nat. sustain. (2021).

文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41893-021-00809-0

图1| p2-和p3-na_0.6li_0.2mn_0.8o₂正极材料的带状有序结构及电化学性能。(a) tm层的带状有序结构（···-li-4mn-li-···）；(b) p2和p3型结构示意图；(c,d) p2-和p3-nlmo样品的中子衍射数据使用dft计算结构模型的精修结果；(e,f) p2-和p3-nlmo在na半电池中10次循环的容量-电压曲线，绿色或红色圈附近的值是na_xli_0.2mn_0.8o₂中不同充放电状态下的na含量（x）

图2| 初始p2-和p3-nlmo的odt结构和na构型。(a) 三种堆叠模型；(b) 一维拓扑结构；p2型：(c) 优化结构示意图（侧视图和顶视图）；(d,e) haadf-和abf-stem图像(插图为优化后的p2结构)；p3型：(f)优化结构示意图（侧视图和顶视图）；(g,h) haadf-和abf-stem图像（插图为优化后的p3结构）。

图3| p2-和p3-na_xli_0.2mn_0.8o₂正极在循环过程中odt结构的演变。p2-nlmo：(a)首次充电（4.5v）、(b)首次放电（3.5v）和(c)第十次放电3.5v）状态下的haadf-stem图像。p3-nlmo：(d)首次充电（4.5v）、(e)首次放电（3.5v）和(f)第十次放电（3.5v）状态下的haadf-stem图像；比例尺为1nm

图4| 钠离子脱嵌过程中的拓扑保护机制。p2-type：(a) 原始的-α-β-序列p2-nlmo结构；(b) 充电态（4.5v）的-α-γ-序列o2-na_0.2li_0.2mn_0.8o₂结构；(c) 放电态（3.5v）的-α-β-序列p2-nlmo结构；(d) 放电态（3.5v）的-α-γ-序列p2-nlmo结构；(e) 从p2结构到o2结构的滑移路径（a→b）；(f) 从o2结构到p2结构的滑移路径（b→c或d）；p3类型：(g) 原始的-α-γ-序列p3-nlmo结构；(h) 充电态（4.5v）的-α-γ-序列p3-na_0.2li_0.2mn_0.8o₂；(i) 放电态（3.5v）的-α-γ-序列p3-nlmo结构

图5| 拓扑序。(a) -α-α-，(b) -α-β-和(c) -α-γ-序列的充电态结构；(d) 一维拓扑序；(e) 三维拓扑序；(f,g) na半电池中p3-和p2-nlmo 20圈的容量电压曲线；(h,i) li半电池中p3-和p2-nlmo 30圈的容量电压曲线