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    A mistura de cátions induz o armazenamento de sódio altamente eficiente para cátodos em camadas

    Evolução estrutural do eletrodo NNCT durante o primeiro ciclo. Padrões de XRD in-situ coletados para eletrodo NNCT ciclado na faixa de voltagem de 2,0-4,0 V (a); Imagens STEM do imaculado (parte inferior), totalmente carregado (meio), e eletrodos NNCT totalmente descarregados (topo) (b) e os perfis de linha correspondentes (c); Ilustração esquemática da evolução estrutural do eletrodo NNCT durante a carga / descarga (d). Crédito:Science China Press

    O sódio é um dos elementos mais abundantes, amplamente distribuído na Terra e no oceano. Assim, As baterias de íon de sódio atraem muita atenção para aplicação em armazenamento de energia em grande escala. Os cátodos mais populares para SIBs, ou seja, os óxidos contendo sódio em camadas, geralmente exibem um rearranjo reversível do hospedeiro entre o empilhamento do tipo P e do tipo O na carga / descarga. Esse rearranjo do hospedeiro é desfavorável devido a vários fatores:(1) A fase do tipo O é indesejável em relação ao tipo P, já que o último possui uma estrutura mais aberta para o transporte de íons de Na; (2) Os rearranjos da estrutura do hospedeiro indicam uma dinâmica de reação lenta, que contribui para a histerese de tensão e capacidade de taxa pobre do eletrodo; (3) A grande variação nos parâmetros de rede entre o tipo P e o tipo O leva à deformação elástica, causando a perda de material ativo e o enfraquecimento da capacidade resultante.

    Com base nas razões acima, Haoshen Zhou e o Grupo de Shaohua Guo da Universidade de Nanjing sintetizaram o Na tipo O3 0,8 Ni 0,3 Co 0,1 Ti 0,6 O 2 (NNCT), e descobriram que o eletrodo NNCT exibiu a característica de mistura de cátions pela introdução de íons de metal de transição em camadas de Na durante a carga inicial, suprimindo assim o rearranjo do hospedeiro na carga / descarga pelo "efeito de fixação" induzido. Além disso, a fase do tipo O é indesejável em relação ao tipo P, já que o último possui uma estrutura mais aberta para o transporte de íons de Na. Consequentemente, o NNCT com empilhamento P3 estável após o processo de carga inicial exibe capacidade de taxa superior, alta eficiência energética e excelente desempenho de ciclismo. Este grupo caracterizou a evolução estrutural durante a inserção / extração eletroquímica de sódio por XRD in-situ e experimentos STEM ex-situ. A Fig. 1 mostra a evolução estrutural do eletrodo NNCT durante o primeiro ciclo. O NNCT se transforma para o tipo P3 no processo de carga inicial como a maioria dos outros, mas inesperadamente mantém o empilhamento P3 nos ciclos subsequentes. Os resultados do STEM indicam a presença de íons de metal de transição nas camadas de sódio no eletrodo NNCT carregado, exibindo o fenômeno de mistura de cátions.

    Os desempenhos eletroquímicos dos cátodos NNT e NNCT foram estudados comparativamente na Fig. 2. As curvas de quase sobreposição sugerem a alta reversibilidade do NNCT com uma capacidade reversível de 92 mAh * g-1 a uma taxa de 0,05C. As curvas de descarga mostram uma retenção de alta capacidade (92 por cento) e degradação de tensão insignificante (0,03 V) ao longo de 300 ciclos são observados. A eficiência energética de ida e volta é estabilizada em 93 por cento para o eletrodo NNCT, e a eficiência Coulombic do cátodo NNCT é de cerca de 99,7 por cento. Mais importante, O cátodo NNCT executa um excelente desempenho de ciclagem de longo prazo, ou seja, 98 por cento de retenção da capacidade após 1000 ciclos.

    Este trabalho propõe que o "efeito de fixação" induzido pela introdução da mistura de cátions poderia efetivamente suprimir a transição de fase e o arranjo relativo do hospedeiro, aumentando assim muito a estabilidade estrutural. Os resultados destacam o papel crítico da estrutura de armazenamento de sódio estável, e também abrir um novo caminho para o design de materiais de armazenamento de energia de alta eficiência.

    (a) Os perfis de tensão típicos de NNT a uma taxa de 0,05 ° C. (b) A capacidade de taxa de NNT. (c) As curvas de descarga de NNT no primeiro e a cada 25 ciclos com uma taxa de 0,5C, até 300 ciclos. (d) Os perfis de tensão típicos da região NNCT a uma taxa de 0,05 ° C. (e) A capacidade de tarifação do NNCT. (f) As curvas de descarga do NNCT no primeiro e a cada 25 ciclos com uma taxa de 0,5C, até 300 ciclos. (g) As curvas de eficiência energética de ida e volta dos eletrodos NNCT e NNT a uma taxa de 0,5 C por 100 ciclos. (h) O desempenho de ciclo longo e eficiência Coulombic de NNCT para 1, 000 ciclos nas taxas 5C. Crédito:Science China Press




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