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    La miscelazione di cationi induce uno stoccaggio di sodio altamente efficiente per i catodi a strati

    Evoluzione strutturale dell'elettrodo NNCT durante il primo ciclo. Modelli XRD in situ raccolti per l'elettrodo NNCT ciclati nell'intervallo di tensione di 2,0-4,0 V (a); Immagini STEM dell'incontaminato (in basso), completamente carico (al centro), e elettrodi NNCT completamente scarichi (in alto) (b) e i corrispondenti profili di linea (c); Illustrazione schematica dell'evoluzione strutturale dell'elettrodo NNCT durante la carica/scarica (d). Credito:Science China Press

    Il sodio è uno degli elementi più abbondanti, ampiamente distribuito sulla Terra e negli oceani. Così, Le batterie agli ioni di sodio attirano molta attenzione per l'applicazione nell'accumulo di energia su larga scala. I catodi più popolari per SIB, cioè., gli ossidi di sodio stratificati, di solito mostrano un riarrangiamento dell'ospite reversibile tra l'impilamento di tipo P e di tipo O al momento della carica/scarica. Tale riarrangiamento dell'ospite è sfavorevole a causa di diversi fattori:(1) La fase di tipo O è indesiderabile rispetto al tipo P, poiché quest'ultimo possiede un quadro più aperto per il trasporto di ioni Na; (2) I riarrangiamenti della struttura dell'ospite indicano dinamiche di reazione lente, che contribuisce all'isteresi di tensione e alla scarsa capacità di velocità dell'elettrodo; (3) La grande variazione nei parametri reticolari tra tipo P e tipo O porta alla deformazione elastica, provocando la perdita di materiale attivo e la conseguente perdita di capacità.

    Sulla base delle ragioni sopra esposte, Haoshen Zhou e il gruppo di Shaohua Guo dell'Università di Nanchino hanno sintetizzato il Na . di tipo O3. 0.8 Ni 0,3 Co 0.1 Ti 0.6 oh 2 (NNCT), e ha scoperto che l'elettrodo NNCT mostrava la caratteristica di miscelazione dei cationi introducendo ioni di metalli di transizione negli strati di Na durante la carica iniziale, sopprimendo così il riarrangiamento dell'ospite al momento della carica/scarica dall'"effetto di fissaggio" indotto. Inoltre, la fase di tipo O è indesiderabile rispetto al tipo P, poiché quest'ultimo possiede una struttura più aperta per il trasporto di ioni Na. Di conseguenza, l'NNCT con impilamento P3 stabile dopo il processo di carica iniziale mostra una capacità di velocità superiore, alta efficienza energetica ed eccellenti prestazioni ciclistiche. Questo gruppo ha caratterizzato l'evoluzione strutturale durante l'inserimento/estrazione elettrochimica del sodio mediante esperimenti XRD in situ e STEM ex situ. La Fig. 1 mostra l'evoluzione strutturale dell'elettrodo NNCT durante il primo ciclo. NNCT si trasforma in tipo P3 nel processo di carica iniziale come la maggior parte degli altri, ma mantiene inaspettatamente l'impilamento P3 nei cicli successivi. I risultati STEM indicano la presenza di ioni di metalli di transizione negli strati di sodio sull'elettrodo NNCT carico, manifestando il fenomeno della miscelazione dei cationi.

    Le prestazioni elettrochimiche dei catodi NNT e NNCT sono state studiate comparativamente in Fig. 2. Le curve quasi sovrapposte suggeriscono l'elevata reversibilità di NNCT con una capacità reversibile di 92 mAh* g-1 a una velocità di 0,05 °C. Le curve di scarica mostrano un'elevata capacità di ritenzione (92 percento) e si osserva un degrado di tensione trascurabile (0,03 V) su 300 cicli. L'efficienza energetica di andata e ritorno è stabilizzata al 93 percento per l'elettrodo NNCT, e l'efficienza coulombiana del catodo NNCT è di circa il 99,7 percento. Ma ancora più importante, Il catodo NNCT offre eccellenti prestazioni ciclistiche a lungo termine, cioè., Conservazione della capacità del 98% dopo 1000 cicli.

    Questo lavoro propone che l'"effetto pinning" indotto dall'introduzione della miscelazione cationica potrebbe sopprimere efficacemente la transizione di fase e la relativa disposizione dell'ospite, migliorando così notevolmente la stabilità strutturale. I risultati sottolineano il ruolo critico del quadro stabile di stoccaggio del sodio, e aprire anche un nuovo percorso per la progettazione di materiali di accumulo di energia ad alta efficienza.

    (a) I tipici profili di tensione di NNT a una velocità di 0,05 °C. (b) La capacità di velocità di NNT. (c) Le curve di scarica di NNT al primo e ogni 25 cicli con una velocità di 0,5 C, fino a 300 cicli. (d) I tipici profili di tensione della regione NNCT a una velocità di 0,05 °C. (e) La capacità di tasso di NNCT. (f) Le curve di scarica di NNCT al 1° e ogni 25 cicli con una velocità di 0,5 C, fino a 300 cicli. (g) Le curve di efficienza energetica di andata e ritorno degli elettrodi NNCT e NNT a una velocità di 0,5°C per 100 cicli. (h) Le prestazioni del ciclo lungo e l'efficienza coulombiana di NNCT per 1, 000 cicli ai tassi di 5C. Credito:Science China Press




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