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一、 【科学背景】

层状金属氧化物因其高容量和可扩展性,被视为锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(NIBs)的有力正极材料。然而,钠分层氧化物(NLOs)即使在没有富镍设计的情况下,暴露于空气后也会迅速降解,导致容量损失、制造困难和性能不佳,这种空气不稳定性已阻碍其超过40年的广泛应用。NLOs的空气不稳定性十分复杂,涉及与空气的相互作用,并受大气成分和环境效应的影响。尽管已有多种降解模型提出,但机制仍不明确,且缺乏标准方法和定量分析,难以准确评估其空气稳定性,因此,迫切需要深入理解这一问题,并开发出更稳定的NLOs材料。

二、【科学贡献】

近日,中国科学院物理研究所胡勇胜研究员,陆雅翔副研究员,燕山大学黄建宇教授,长三角物理研究中心容晓晖特聘研究员等人在Science发表了题为“Decoupling the air sensitivity of Na-layered oxides”的论文。他们表明,水蒸气仅在与二氧化碳或氧气结合时,才在钠分层氧化物(NLOs)的酸性和氧化降解中发挥关键作用。定量分析显示,降低综合了离子电势和钠含量影响的阳离子竞争系数(h)并增加颗粒尺寸可以增强对酸性攻击的抵抗力,而使用高电势的氧化还原对则可以消除氧化降解。这些发现阐明了NLOs空气降解的基本机制,并为设计空气稳定的NLOs提供了理论依据。

图1. NFM111在暴露于不同环境气氛下的结构和形貌演变以及容量损失。© 2024 AAAS

图2. 通过动态观察和同位素标记策略表征的酸性降解。© 2024 AAAS

图3. 氧化和酸性降解中的结构和化学异质性。© 2024 AAAS

图4. O3-NLOs在空气中的降解机制示意图。© 2024 AAAS

图5. 酸性和氧化降解效应的量化及开发空气稳定NLOs的对策。© 2024 AAAS

三、【科学启迪】

总而言之,此研究的结果为设计空气稳定的钠分层氧化物(NLOs)提供了全面的路线图,重点是推动下一代钠离子电池(NIBs)的实用发展。这些见解将成为解决相关材料类似稳定性挑战的催化剂,从而推动该领域的进步。

原文详情:Yang Yang et al. ,Decoupling the air sensitivity of Na-layered oxides.Science385,744-752(2024).DOI:10.1126/science.adm9223

本文由jiojio供稿

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