电化学储能为整合间歇性低碳能源提供了⼀种⾏之有效的⽅法。聚阴离⼦型钠离⼦电池正极材料由于其好的稳定性、⾼的安全性和可持续性,以及钠元素的储量丰富且成本低廉,有望满⾜⼤规模储能的应⽤需求。
作为⼀种经济有效的选择,胡勇胜研究员在2013年发表于Energy Environ. Sci.的⽂章中提出锰基NASICON型正极材料(如Na3MnZr(PO4)3,Na3MnTi(PO4)3等)极具潜⼒,并⽤固相法获得了纯相(如图1)。令⼈遗憾的是,受制于差的动⼒学,材料显示出有限的电化学活性。
2018年,Goodenough等⼈⽤溶胶凝胶法合成Na3MnTi(PO4)3优化了其动⼒学,从⽽实现了Mn2+/3+/4+的可逆反应。⾃此,富含锰的NASICON型化合物引起了⼈们对开发先进聚阴离⼦正极材料的⼴泛关注,由于其丰富的储量、⾼的⼯作电位(~3.8V,Vs. Na+/Na)、好的循环性能。然⽽,充电/放电曲线存在显著的电压滞后,这导致低的可逆容量,从⽽阻碍其应⽤。
尽管设计了许多精妙的导电⽹络来减少滞后现象,但电压极化仍然存在。近⽇,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼胡勇胜研究员和过程所赵君梅研究员合作,揭示了锰基NASICON型正极材料电压滞后的机理。作者⾸先从充放电⾏为的差异上⼊⼿,定义了聚阴离⼦材料中的两类缺陷(⻅图2):即在烧结过程中产⽣的本征反占位缺陷(IASD)和伴随充放电过程产⽣的衍⽣反占位缺陷(DASD)。
通过光谱、结构表征和理论计算,在富锰NASICON型材料(Na3MnTi(PO4)3)中捕捉到Mn占据Na2(Wyckoff位置为18e)空位(Mn/Na2_v)的IASD。进⽽揭示了电压滞后的起因:Mn/Na2_v IASD阻断了Na+离⼦扩散通道,导致了滞后的Mn2+/3+/4+氧化还原反应,因此出现电压极化和容量损失。
同时,作者探索了⼀种实⽤的策略来克服这种电压滞后现象,即通过在过渡⾦属位点掺杂Mo来增加IASD的形成能,从⽽降低缺陷浓度。最终,Mo掺杂Na3MnTi(PO4)3的可逆⽐容量在0.1C下从82.1 mAh·g-1增加到103.7 mAh·g-1,并且在0.5C下循环600次后仍保留初始容量的78.7%(在2.5-4.2 V的电压范围内)。
这些结果对于理解更⼴泛的NASICON型阴极的失效机制具有重要意义,并为开发低成本和⾼能量密度电池提供了途径。