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德国研究人员提出新型高熵储能材料,推动锂电池发展

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据外媒报道,德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员,提出一种适合储能应用的新型高熵材料。他们在论文中报告,以最近设计的多阳离子过渡金属基高熵氧化物为前体,LiF 或NaCl为反应物,用简易机械化学方法,制备多阴离子和多阳离子化合物,从而生成锂化或钠化材料。

含锂的熵稳定氟氧基化合物(Lix(Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)OFx),工作电位3.4 V vs. Li+/Li,可用作正极活性材料。与传统(非熵稳定)氟氧化合物不同,这种新材料受益于熵稳定,表现出更强的锂储存性能,以前所未有的方式改变组成元素,提升循环性能。熵稳定的概念也适用于,具有岩石盐结构的含钠氯氧化物,从而为开发后锂电池技术铺平道路。

在众多不同应用领域中,高熵材料(HEM)因其新颖、意想不到和前所未有的特性,获得广泛关注。HEM以引入高构型熵来稳定单相结构为前提。目前已经合成并公开的大量高熵化合物,包括碳化物、二硼化物、氮化物、硫系化合物和氧化物,在热电、电介质和锂离子电池等领域,有着广泛的应用。最近出现的高熵材料,名为高熵氧化物(HEO),2015年由美国Christina M.Rost等人首次提出。

然而,目前为止,还没有关于含有多个阴离子的HEM化合物的文献报道。稳定的高构型熵效应,仅由晶体结构中的阳离子引起,因为阴离子位点的贡献为零。因此,具有明显熵稳定迹象的多阴离子和多阳离子单相结构物质的制备,具有重要意义,特别是考虑到,构型熵增益将比过渡金属基HEO体系更大。KIT的论文是首次报道,多阴离子和多阳离子高熵氧卤化物,及其在电化学储能中的应用。

研究人员使用一种基于多阳离子过渡金属的HEO(即只有氧离子占据阴离子位点),作为前体,引入额外的卤素离子(X)和碱金属离子,生成多阴离子、多阳离子的岩盐型化合物(HEOX)。将一价氟引入由二价氧占据的HEO阴离子晶格中,通过在阳离子晶格中加入单价锂(或钠)来补偿电荷。由于氟和氧离子半径相似,所以,在单相岩盐结构中,这种替代不会引起明显应变。

通过将多个阴离子加入一个熵稳定的多阳离子化合物中,研究人员首次发现,在保持单相岩盐结构的同时,不仅阳离子发生变化,阴离子也会变化。这些化合物构成一类新的熵稳定材料,阴离子晶格促进构型熵形成,从而获得额外的结构稳定增益。通过这种方法,成功合成一种具有岩石盐结构的氟氧基正极活性材料,适用于下一代锂离子电池应用。

值得一提的是,熵稳定能显著提高循环性能。此外,这种方法可以减少电池正极中有毒和昂贵元素,同时不明显影响能量密度。综上所述,多阴离子和多阳离子高熵化合物的概念,将带来前所未有的新型储能材料。

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