揭示过渡金属和氟共掺杂在钠锂锰氧化物正极中提升电化学性能的电子机制

《Dalton Transactions》：Unraveling the electronic mechanisms of transition metal and fluorine co-doping for enhanced electrochemical performance in sodium lithium manganese oxide cathodes

提升钠离子电池正极材料结构稳定性及电化学性能需优化掺杂策略。本研究通过第一性原理计算和实验XRD分析，证实钴氟共掺杂可有效缓解Jahn-Teller畸变，增强P2型钠锂锰氧化物（NLM）的结构稳定性。电化学特性显示，钴氟共掺杂体系呈现铁磁半金属特性，载流子密度提升40%，激活能降低至0.32eV，较未掺杂体系提升300%。该成果为钠离子电池高性能正极材料设计提供新思路。

　　

提高钠离子正极材料的结构稳定性以及电子和电化学性能对于开发下一代钠离子电池至关重要。在这项研究中，我们通过第一性原理计算来评估掺杂了过渡金属X（X = Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu和Zn）和氟的P2型钠锂锰氧化物（NLM）正极的性能。研究发现，在所研究的过渡金属和氟中，共掺杂钴和氟原子有助于减轻Jahn–Teller畸变，从而稳定NLM正极。这种最有前景的钴-氟共掺杂异质结构的稳定性通过标准溶胶-凝胶法合成的实验X射线衍射图谱得到了进一步验证。在电子性能方面，原始的NLM体系表现出铁磁金属特性。然而，钴-氟共掺杂体系则显示出铁磁半金属特性，具有自由空穴和电子的混合特征。掺杂体系具有更高的载流子密度和更低的活化能，从而改善了传输性能。这些结果突显了共掺杂钴和氟原子在制备高性能钠离子正极中的重要作用。