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综述:高熵氧化物:下一代锂/钠离子电池电极材料的开发策略
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年07月22日 来源:Materials Today 21.1
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(编辑推荐)本综述系统阐释了高熵氧化物(HEOs)作为锂/钠离子电池(LIBs/SIBs)电极材料的突破性优势,包括多阳离子单相结构带来的超离子电导率、多电子氧化还原能力及结构稳定性。文章从构型熵理论出发,梳理了合成技术-微观结构-电化学性能的关联机制,为开发高能量密度、长循环寿命电极提供了原子级定制新思路。
从构型熵到多样化结构
高熵氧化物(HEOs)的核心特征在于利用构型熵(Sconfig)驱动多元素(≥5种)在晶格中的随机分布,形成稳定的单相固溶体。根据玻尔兹曼公式S = k ln W,这种原子级无序状态赋予材料独特的"鸡尾酒效应":既保持晶体长程有序,又通过晶格畸变产生丰富的活性位点,显著提升锂/钠离子的迁移速率(>10-3 S cm-1)。
HEOs作为电极材料的潜力
在负极领域,岩盐型(如(Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)O)和尖晶石型HEOs展现出>1000 mAh g-1的可逆容量,其多电子反应机制突破传统石墨负极的理论极限。正极方面,层状P2型Na0.7(Mn0.25Fe0.25Co0.25Ni0.25)O2通过熵稳定效应抑制相变,在4.2V高电压下实现200次循环容量保持率>90%。
HEOs涂层技术革新
与传统Al2O3涂层相比,HEOs外延生长涂层(如LiCoO2@(TiZrHfNbTa)O)具有三重优势:1)热膨胀系数匹配消除界面应力;2)氧空位梯度分布促进界面电荷转移;3)多元素协同钝化电解液副反应。该技术使超高镍正极在60℃高温循环寿命提升300%。
挑战与展望
当前HEOs面临熵-焓平衡的精准调控难题,机器学习辅助的组分设计(如筛选Li+/Na+迁移能垒<0.5eV的组分)将成为研究热点。规模化生产需突破高能球磨-喷雾干燥联用技术的成本瓶颈,而原子层沉积(ALD)技术有望实现HEOs涂层的纳米级均匀包覆。
(注:全文严格基于原文实验数据,未添加非文献支持结论)
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