北科大/物理所EES：棱柱形碱金属环境抑制晶格氧氧化还原反应中平台滞后现象！

第一作者：Hao Yu，Ang Gao

通讯作者：王守国，胡勇胜，张庆华，容晓晖

通讯邮箱：北京科技大学，中科院物理所

论文速览

本研究聚焦于晶格氧氧化还原（Lattice Oxygen Redox, LOR）在高能量密度正极材料中的发展，尤其是电压滞后现象对其发展的阻碍。

研究团队通过在锂半电池中观察到的带状有序钠缺陷过渡金属氧化物（Na-缺陷-TMOs）中的平台滞后现象，揭示了氧的碱金属离子配位环境通过影响氧轨道能级分布不均匀性来控制电压滞后。

研究表明，在晶格氧氧化还原反应中，碱金属位点的棱柱形环境更有利于氧轨道的均匀分布，为设计具有低电压滞后的高电压氧氧化还原材料提供了重要的参考。

图文导读

图 1：展示了电压滞后类型和充放电曲线，绿色区域表示无滞后，棕色区域表示滞后，其中上点线框和下点线框分别展示了平台滞后和斜率滞后的电化学曲线。

图 2：展示了NLMO的结构和钠（锂）脱嵌电化学行为，包括原始P3-Na_0.6[Li_0.2Mn_0.8]O₂的Rietveld精修中子粉末衍射（NPD）图谱，以及不同充放电状态下的电压曲线。

图 3：展示了Mn^3/4+-O₂^n--Mn^3/4+的电子结构和相互作用的演变，包括不同充放电状态下的XAS光谱、EPR谱和磁测量。

图 4：展示了P3-NLMO脱钠和（脱）锂化过程中的结构演变，包括原位XRD图谱和不同状态下的XRD图谱。

图 5：通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）展示了P3-NLMO在不同充放电状态下的短程结构演变。

总结展望

本研究的亮点在于揭示了碱金属离子在氧原子周围的配位环境是控制平台滞后现象的关键因素。

通过电化学离子交换过程中的一系列实验和计算模拟，研究团队发现，在P3到O3的相变过程中，保持棱柱形位点的碱金属离子对于控制电压滞后至关重要。此外，研究还强调了在过渡金属层中维持带状超结构对于抑制过渡金属离子迁移的重要性。

这些发现不仅增进了对LOR活性氧化物中电压滞后现象的理解，而且为通过碱金属位点掺杂来设计新型正极材料提供了新的思路，有助于开发出在钠和锂电池中具有更低电压滞后的高稳定性结构。

文献信息

标题：Prismatic alkali-ion environment suppresses plateau hysteresis in lattice oxygen redox reactions

期刊：Energy & Environmental Science

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