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过渡金属空位耦合钠位Mg/Al掺杂构建高稳定性基于氧变价的钠离子电池正极材料

批准号:
52071085
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
周永宁
依托单位:
学科分类:
金属能源与环境材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
周永宁

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
开发高性能的正极材料是发展室温钠离子电池的关键。在层状正极材料中诱发可逆的阴离子氧化还原被认为是提高正极材料容量的有效途径。近期研究表明,在过渡金属位引入空位能有效提高阴离子氧化还原的可逆性,但空位的引入会造成正极材料结构稳定性的显著降低,尤其在高电压区间会发生不可逆相变,从而严重影响材料的长循环性能。为了在过渡金属层中引入空位的同时,还能保证正极材料在循环过程中的结构稳定性,本项目提出“过渡金属空位耦合钠位掺杂”的协同优化策略,通过在过渡金属位引入空位,诱发阴离子氧化还原提高容量的同时,在钠位引入惰性主族金属离子(Mg, Al),提高层状材料的结构稳定性,从而提高其循环性能。本项目将系统研究不同掺杂元素、掺杂剂量、空位浓度对其电化学行为、结构演变、电荷补偿机制的影响,分析过渡金属空位和钠位掺杂的耦合作用机制,研究成果有望为开发高性能的钠离子电池正极材料提供新思路和理论指导。
英文摘要
Exploring high performance cathode materials is the key step for developing room temperature sodium-ion batteries. Triggering reversible anion redox in layered cathode materials is considered to be an effective way to increase their capacity. Recently, introducing transition metal vacancies has been proved to be able to improve the reversibility of anion redox. However, the vacancies will decrease the structure stability of the cathodes, resulting in irreversible phase transition in high voltage region, thus deteriorating long-term cycle performance. In order to ensure the structure stability of the cathode materials with transition metal vacancies, a synergic strategy of transition metal vacancy coupled with Na-site doping is proposed in this project. When the transition metal vacancies are introduced to trigger anion redox, Mg/Al ions are doped into the Na sites in the layered cathode materials, to strengthen the structure stability, and improve cycle performance. The impacts of doping elements, doping amount and vacancy density on the electrochemical behavior, structure evolution and charge compensation mechanisms will be investigated systematically. The coupling effect of transition metal vacancies and Na-site doping will be analyzed. The results are expected to provide new ideas and theoretical guidance for developing high performance cathode materials for sodium-ion batteries.
开发高性能的正极材料是发展室温钠离子电池的关键。在层状正极材料中诱发可逆的阴离子氧化还原被认为是提高正极材料容量的有效途径。先前研究表明,在过渡金属位引入空位能有效提高阴离子氧化还原的可逆性,但空位的引入会造成正极材料结构稳定性的显著降低,尤其在高电压区间会发生不可逆相变,从而严重影响材料的长循环性能。为了在过渡金属层中引入空位的同时,还能保证正极材料在循环过程中的结构稳定性,我们通过控制合成条件,设计了含过渡金属空位的P2-Na0.7M0.2[Mn0.6Fe0.4□0.2]O2(M:Mg, Al等),成功将惰性金属离子引入钠层,这些占据钠层的离子对MO2层具有更强的吸引力,在充电过程中可以缓冲沿c轴方向的O-O斥力,抑制了高电压区的结构坍塌。过渡金属空位与钠层形成一种新型“□-O-□/Na/Mg”构型,激发氧的氧化还原反应,产生可逆的高容量平台。通过原位XRD发现,材料在10C充放电始终保持稳定的P2结构,体积变化很小。X射线吸收谱揭示了Mn3.5+/Mn4+、Fe3+/Fe3.5+阳离子变价机制,Mn3.5+/4.0+和O2-/1-的氧化还原电对作用于整个充放电过程,而Fe3+/3.5+主要作用于3.0 V以上区域。GITT表明MFM-2的动力学过程具有“元素依赖”效应。软X射线吸收谱、XPS和DFT计算证实了指向过渡金属空位的未成键氧2p轨道的孤对电子具有较高的能量,能够优先参与电荷补偿,激活氧的变价,贡献了额外容量。本项目的研究结果对于开发高性能的钠离子电池正极材料提供新思路和理论指导。相关成果发表SCI论文24篇,包括Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等高影响力期刊。
本征空位诱导氧变价的高容量钠离子电池正极材料设计与储钠机制
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    周永宁
  • 依托单位:
二次电池层状正极材料中阴离子氧化还原机制新探索
  • 批准号:
    19ZR1404200
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    周永宁
  • 依托单位:
锂离子电池三元层状正极材料LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)的高倍率充放电过程研究
  • 批准号:
    51502039
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    周永宁
  • 依托单位:
国内基金
海外基金