O3-NaNi0.4Fe0.2Mn0.4O2正极Na+传输动力学及相变机制

钠离子电池因其成本低廉、环境友好且与锂离子电池工作原理相似,在大规模储能领域极具应用潜力.作为决定电池能量密度的关键组成部分,O3型钠基层状过渡金属氧化物因高容量、合成简单等优势在众多正极材料中脱颖而出.然而,Na+在O3结构中八面体位点间的迁移需克服较大的能垒,最终导致复杂反应相变的发生和容量快速衰减.因此,探究O3型正极材料电化学反应过程中Na+脱嵌行为与结构演变的构效关系对开发高性能正极材料至关重要.本工作以O3-NaNi0.4Fe0.2Mn0.4O2(O3-NFM)正极为研究对象,对其电化学性能、Na+传输动力学性质及相变机制展开了系统研究.电化学测试结果表明,O3-NFM在充电至高压(4.3 V)时可脱出0.84molNa+,发挥约201.9 mAh/g的比容量,但可逆性欠佳.当截止电压为4.0 V时,该正极材料循环性能优异,原位XRD结果进一步证明了电化学反应过程中O3-P3/O3-P3-P3/O3-O3的可逆结构转变.循环伏安(CV)曲线和恒电流间歇滴定技术(GITT)结果表明其具有快速的钠离子扩散速率,从而表现出较好的倍率性能.本研究为探索以O3-NFM为基础的正极材料结构设计及性能调控提供了理论基础.