高熵层状氧化物正极中通过构型熵设计调控相稳定化

《Science China-Materials》：Tuning phase stabilization through configurational entropy design in high-entropy layered oxide cathodes

　　

摘要

P2型锰基层状氧化物正极材料因其低成本、高工作电压、快速离子扩散和良好的结构稳定性等优势而备受关注。然而，Mn³⁺的Jahn-Teller效应以及高压下（>4.2 V）的不可逆相变严重限制了其电化学性能的进一步提升。为解决上述问题，我们构建了由五种元素（Ni、Mn、Co、Ti和Li）组成的高熵体系，并通过不同掺杂含量的Li取代Mn，合成了一系列Na_0.70Ni_0.25Mn_0.50?xCo_0.05Ti_0.20Li_xO₂（记为NMCTL-x）正极材料。结果表明，高熵效应有效抑制了有害相变，赋予了材料增强的结构稳定性。同时，Li取代显著抑制了高电位下Mn³⁺的Jahn-Teller效应和氧损失，并促进了快速Na⁺传输。因此，NMCTL-0.05正极在1C倍率下经过300次充放电循环后仍保持87.71%的容量保持率。本工作验证了基于Li取代的高熵构型设计能够同步优化P2型锰基层状氧化物的结构和动力学性能，为钠离子电池高性能正极材料的设计与开发提供了一种新策略。

P2型锰基层状氧化物正极材料因其低成本、高工作电压、快速离子扩散和良好的结构稳定性等优势而备受关注。然而，Mn³⁺的Jahn-Teller效应以及高压下（>4.2 V）的不可逆相变严重限制了其电化学性能的进一步提升。为解决上述问题，我们构建了由五种元素（Ni、Mn、Co、Ti和Li）组成的高熵体系，并通过不同掺杂含量的Li取代Mn，合成了一系列Na_0.70Ni_0.25Mn_0.50?xCo_0.05Ti_0.20Li_xO₂（记为NMCTL-x）正极材料。结果表明，高熵效应有效抑制了有害相变，赋予了材料增强的结构稳定性。同时，Li取代显著抑制了高电位下Mn³⁺的Jahn-Teller效应和氧损失，并促进了快速Na⁺传输。因此，NMCTL-0.05正极在1C倍率下经过300次充放电循环后仍保持87.71%的容量保持率。本工作验证了基于Li取代的高熵构型设计能够同步优化P2型锰基层状氧化物的结构和动力学性能，为钠离子电池高性能正极材料的设计与开发提供了一种新策略。