研究概述

低成本钠离子电池（NIBs）被视为锂离子电池（LIBs）有希望的替代品。近些年，NIBs的电解质和负极研究方面取得了显著进展，为NIBs的进步和商业化做出了杰出贡献。其中，O3型层状过渡金属（TM）氧化物材料因其高理论容量和合成简便而显示出在NIBs中的巨大潜力。然而，关于这些材料的相关研究也取得了实质性进展，但仍有一些尚未完全理解的问题。

在此，厦门大学孙世刚、乔羽、TangYonglin，清华大学谷林、中国科学院高能物理研究所黄换、宁德时代Ning Ziyang等人通过扩展NFM111的深度充电（DOC）从典型的Na0.4（约125 mAh/g，4.0 V截止）到Na0.2（约180 mAh/g，4.3 V截止）系统地研究了结构演变、电荷补偿机制和局部共价环境变化。此外，作者利用中子衍射（ND）、原位X射线衍射（XRD）、电化学测试和X射线吸收精细结构（XAFS）图谱等技术揭示了NFM111在不同充电状态下的相变路径、电荷补偿机制以及局部结构变化。

结果表明，在中度DOC下，NFM111主要通过Ni的氧化来实现电荷补偿，而在更高DOC下，Fe的氧化开始贡献容量。此外，作者还发现Fe3+到Fe4+的氧化和P到O层的转变在中等至高DOC下同步发生，Fe4+在高DOC下引起的Jahn-Teller畸变加剧了P到O层滑动，从而将原本“中性”的相变转变为“有害”的结构畸变。

图文解读

图1. 共生相和两相共存示意图

图2. 电池快充过程中的充电补偿

文献信息

Elucidating the Structural Evolution of O3-type NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2: A Prototype Cathode for Na-Ion Battery, Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c11049