近日，冶金与生态工程学院储能科学与工程系教师毛慧灿与中国科学院物理研究所合作者的研究成果在《Nature Energy》上发表。
成果介绍
随着全球能源需求的日益增长，可再生能源的存储和转换成为了科学研究的热点。钠离子电池（NIBs）因其低成本和丰富的资源储备被视为未来大规模储能系统的理想选择。然而，NIBs的商业化进程一直受到正极材料性能的限制。传统层状过渡金属氧化物正极材料在循环过程中面临着结构退化和可逆容量低的问题，严重阻碍了NIBs的广泛应用。为解决这一难题，研究者们一直在探索新的材料设计策略。在众多候选方案中，高熵氧化物因其独特的高配置熵和混合金属离子的协同效应，展现出了优异的电化学性能和热稳定性。这些特性使得高熵氧化物成为提高NIBs性能的有力候选材料。然而，如何合理设计高熵氧化物的组成，以优化其性能，仍是一个亟待解决的问题。
图 NCFMS单晶颗粒内部的Sn偏聚。（a,b） 通过密度泛函理论计算了含/不含元素偏聚的O3/P3-Na27−xNi12Fe3Mn6Sn6O54和O3/P3-Na27−xNi12Fe3Mn6Ti6O54总能量；（c） P3-NCFMS中Sn迁移和Sn-Sn二聚体形成的示意图；（d） 含有Ni、Mn、Fe、Sn/Ti元素的多种结构构型激活能，以及连接Sn和Ti离子的迁移路径。
在这项研究中，研究团队通过将Ti4+替换为Sn4+离子，合成了两种O3型高熵层状氧化物正极材料：NaNi0.3Cu0.1Fe0.2Mn0.3Ti0.1O2(NCFMT)和NaNi0.3Cu0.1Fe0.2Mn0.3Sn0.1O2(NCFMS)研究发现，NCFMT展现出了优异的可逆比容量和卓越的循环稳定性，而NCFMS则因结构的不稳定表现出较差的性能。通过深入分析，研究团队发现层状正极材料的结构完整性受过渡金属层（TMO2）中元素兼容性的影响。NCFMS中的金属离子位移会引起平面应变，导致循环过程中元素分离和裂纹形成。与此相反，NCFMT由于其组成元素之间较高的化学兼容性，使得材料结构框架稳定，有利于钠离子的可逆存储。
这一发现为高熵氧化物正极在钠离子电池中的应用提供了新的解决方案，也为未来高性能储能材料的设计提供了指导。通过进一步优化材料组成和结构，高熵氧化物正极材料有望在未来的能源存储领域发挥更大的作用。
毛慧灿, 冶金与生态工程学院储能科学与工程系讲师。2018于中国科学院物理研究所获博士学位，2023年加入北京科技大学冶金与生态工程学院储能科学与工程系工作。主要从事化学储能材料的理论计算与中子衍射研究。近五年在Nature Energy, Energy & Environmental Science，Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊发表学术论文20余篇。
（供图：冶金学院）
（责编：付云笛、薛浪）
