Tóm tắt nghiên cứu

110672_110814_0.67MNO_20.67[MN_1-xSC_x] o₂đã được tổng hợp để tiết lộ rằng nó cải thiện khả năng chống nước và tuổi thọ Chúng tôi cũng đã làm rõ cơ chế thay thế Scandium cải thiện hiệu suất

oxit lớp chứa natri nat_xMNO₂ (x= 0 ~ 1) được coi là vật liệu catốt đầy hứa hẹn cho pin ion natri Tuy nhiên, vấn đề là tuổi thọ chu kỳ rất ngắn và pin nhanh chóng xấu đi do sạc và xả Sự suy giảm này chủ yếu gây ra bởi những thay đổi phức tạp trong cấu trúc bên trong vật liệu do phản ứng giảm oxy hóa của các ion mangan liên quan đến việc chèn và giải hấp các ion natri Nghiên cứu trước đây đã tiết lộ rằng bằng cách thay thế một phần của oxit natri bằng các kim loại khác, có thể đạt được hiệu suất được cải thiện như một vật liệu catốt Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục đích làm rõ ảnh hưởng của việc thay thế các ion mangan trong các oxit nhiều lớp chứa natri bằng các ion scandium và P2-NA_0.67[MN_1-XSC_x] o₂ya p'2-na_0.67[MN_1-xSC_x] o₂đã được tiến hành

Kết quả của nghiên cứu, loại P'2 NA_0.67[MN_0.92SC_0.08] o₂ (o-NMSO8) cho thấy điện áp phóng điện trung bình từ 2,1 V trở lên và công suất xả ban đầu từ 170 mAh/g trở lên, và người ta thấy rằng nó duy trì khoảng 60% công suất xả ban đầu sau 300 chu kỳ Phân tích cấu trúc cho thấy cấu trúc loại P'2 căng thẳng được ổn định bằng cách thay thế scandium, và sự tinh chỉnh hạt và sự hình thành lớp bảo vệ bề mặt đã tiến triển đồng thời, triệt tiêu hiệu quả sự suy giảm cấu trúc và mất natri trong quá trình sạc và phóng điện Điều quan trọng, các hiệu ứng cải tiến này đã không được quan sát thấy trong cấu trúc P2 không có biến dạng và là hiện tượng duy nhất cho cấu trúc P'2 Sự khác biệt này là do sự biến dạng của sợi-terreria phối hợp của cấu trúc P'2, hoạt động cùng với sự thay thế scandium, cho phép kiểm soát cấu trúc vừa phải

Những kết quả này chứng minh rằng thay thế scandium là một phương pháp hiệu quả để giải quyết các thách thức trong ứng dụng thực tế của các oxit natri Những phát hiện thu được trong nghiên cứu này là một hướng dẫn quan trọng cho sự phát triển của pin natri hiệu suất cao và dự kiến ​​sẽ góp phần thực hiện một hệ thống lưu trữ năng lượng bền vững

Kết quả nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 12 tháng 9 năm 2025Được xuất bản trực tuyến trong "Vật liệu nâng cao"đã được thực hiện

Bối cảnh nghiên cứu

Là một trong những vật liệu điện cực dương cho pin natri ion hiệu suất cao, oxit natri có chứa natri na_xMNO₂ (x= 0 ~ 1) đang thu hút sự chú ý NaxMNO₂Ngoài việc thể hiện khả năng xả ban đầu cao, nó còn có các đặc tính thuận lợi về chi phí vật liệu và cung cấp nguyên liệu thô, vì nó là một thành phần không sử dụng kim loại hiếm Tuy nhiên, tuổi thọ chu kỳ rất ngắn và sự suy giảm nhanh chóng sau khi sạc và xả nhiều lần là một rào cản đối với việc sử dụng thực tế Sự suy giảm hiệu suất này chủ yếu là do quá trình oxy hóa và phản ứng oxi hóa khử của các ion mangan liên quan đến việc chèn và giải hấp các ion natri trong quá trình sạc và phóng điện, dẫn đến những thay đổi cấu trúc phức tạp trong vật liệu Cụ thể, các ion mangan (ii) (MN³⁺) và các ion mangan (iv) không hiển thị hiệu ứng sợi-terror sợi⁴⁺) Thay đổi liên tục, gây ra sự tích lũy của các biến dạng từ mức nguyên tử đến mức hạt

NAxMNO₂được biết là tạo thành một loạt các cấu trúc, chẳng hạn như P2 và O3, tùy thuộc vào vị trí đặt các ion natri được đặt Loại P2 có môi trường phối hợp loại Prism trong đó các ion natri có cấu trúc hai lớp, trong khi loại O3 tạo thành cấu trúc ba lớp trong môi trường phối hợp bát diện Hơn nữa, có một loại P'2 với cấu trúc loại P2 trong đó nó bị biến dạng một phần Những khác biệt về cấu trúc ảnh hưởng đến sự dễ dàng của các ion natri và đặc tính pin Được biết, những thay đổi xảy ra giữa các cấu trúc này trong quá trình sạc và xả, ảnh hưởng đến sự ổn định của vật liệu

113441_113482_2/3(MN_1-xSC_x) o₂, chúng tôi đã phát hiện ra rằng những thay đổi cấu trúc liên quan đến điện tích và phóng điện bị triệt tiêu đáng kể và vòng đời được cải thiện đáng kể so với trước đây Kết quả này đã thu hút sự chú ý như một cách tiếp cận hiệu quả để giải quyết những thách thức của sự suy giảm chu kỳ, nhưng cơ chế cơ bản của thay thế scandium vẫn chưa rõ ràng Cũng có một câu hỏi quan trọng là liệu hiệu ứng này có bị giới hạn trong một thành phần hoặc cấu trúc tinh thể cụ thể hay không, hoặc liệu nó có thể áp dụng cho các oxit natri khác Trong nghiên cứu này, để làm rõ phạm vi của tác dụng thay thế scandium và cơ chế của nó, chúng tôi đã nghiên cứu một cách có hệ thống sự thay thế scandium đối với nhiều oxit natri với các thành phần và cấu trúc khác nhau, và khám phá bản chất của cơ chế ổn định cấu trúc

Chi tiết kết quả nghiên cứu

• p'2-na_2/3[MN_1-xSC_x] o₂

  SCANDIUM thay thế P'2-NA_2/3[MN_1-xSCX] o₂（o-nmo:x = 0, o-nmso6:x = 0.06, o-nmso8:x = 0.08, o-nmso11:x= 011) Các cấu trúc đơn được tổng hợp thành công Phân tích nguyên tố và cấu trúc đã xác nhận rằng các ion scandium thay thế một phần các ion mangan MEO MEO MICRO₆Điều chế cấu trúc bát diện, macro đã xác nhận những thay đổi trong hằng số mạng và thay đổi phối hợp trong biến dạng sợi sợi Những thay đổi này chỉ ra rằng sự thay thế scandium ổn định cấu trúc tinh thể trên khoảng cách dài từ mức nguyên tử Hơn nữa, kích thước hạt trung bình lào-From NMO's 54 ㎛o-nmso11 cho thấy thay thế scandium cũng ảnh hưởng đến sự phát triển tinh thể và hình thái hạt

• Đánh giá các thuộc tính điện hóa

  Hành vi của các điện cực ở 25 ° C được đánh giá bằng cách sử dụng tế bào tiền xu Khả năng đảo ngược lào-220 mAh/g với NMO,o-nmso8 cho thấy giá trị gần tương đương với 216 mAh/g, nhưngo-NMSO8 thể hiện hiệu suất điện cực tuyệt vời trong khả năng duy trì và ổn định chu kỳ Nó đã được xác nhận rằng sự thay thế scandium đã ngăn chặn thứ tự lỗ rỗng trong quá trình giải hấp ion natri và làm mịn đường cong điện tích/phóng điện Hơn nữa, sự hình thành của một lớp scandium tương tự như giao diện điện cực điện cực dương ức chế các phản ứng bên với các chất điện phân lỏng, cải thiện khả năng chống nước Hơn nữa, nó đã được tiết lộ rằng diện tích bề mặt cụ thể tăng lên với các hạt mịn hơn và đặc điểm tốc độ xả được cải thiện

  Tế bào đầy đủ hình đồng xu được điều chế bằng cách sử dụng oxit lớp chứa natri làm điện cực dương và carbon cứng được xử lý trước làm điện cực âm, và hiệu suất điện hóa của nó được đánh giá Kết quả,o-nmo vào-nmso8 thể hiện hiệu suất tốt với điện áp phóng điện trung bình từ 2,1 V trở lên và khả năng xả từ 170 mAh/g trở lên Để biết các đặc điểm chu kỳ dài hạn, vui lòng xemo-nmso8 lào-THER Nó vượt trội so với NMO và duy trì khoảng 60% công suất xả ban đầu sau 300 chu kỳ Kết quả phân tích cấu trúc của điện cực dương sau 300 chu kỳ:o-nmo mất độ kết tinh của nó, nhưngo-nmso8 duy trì cấu trúc tinh thể nhiều lớp Những kết quả này cho thấy nguyên nhân chính của việc giảm công suất là sự xuống cấp cấu trúc liên quan đến điện tích và xả Hơn nữa, người ta thấy rằng thay thế scandium làm giảm sự rửa giải mangan và cải thiện chất lượng của giao diện điện cực điện cực dương, dẫn đến sự cải thiện đáng kể về tuổi thọ pin tổng thể

  Những kết quả này xác nhận rằng thay thế scandium có hiệu quả trong việc ổn định điện hóa của cấu trúc P'2

• Nghiên cứu về các loại phần tử kim loại được thay thế

  116619_116667³⁺) và ion yttri (y³⁺) Bằng cách sử dụng phương pháp tổng hợp tương tự, loại p'2 na_0.67[MN_0.9AL_0.1] o₂ (o-nmao8) đã thu được, trong khi yttri không mang lại cấu trúc tinh thể với phần mềm caooCông suất đảo ngược ban đầu của -Nmao8 là 238 mAh/g,o-it cho thấy giá trị cao hơn NMO, nhưng công suất giảm đáng kể theo chu kỳ điện tích và xả Bán kính ion của các ion nhôm nhỏ hơn so với các ion scandium, cho thấy chúng không đủ để hoạt động như một trụ cột cấu trúc ngăn chặn sự chuyển pha như được quan sát với sự thay thế scandium

• Cơ chế cải thiện hiệu suất bằng cách thay thế scandium

  Các ion scandium có bán kính ion lớn (Bán kính ion: 0,745å) Thay thế có chọn lọc các ion mangan (bán kính ion: 0,645å), có chức năng như một trụ cột cấu trúc và ngăn chặn thay đổi mạng lưới quá mức Cụ thể, sự thay thế scandium kiểm soát vừa phải biến dạng sợi phối hợp duy nhất cho cấu trúc P'2, cho phép Mn (IV) (Mn (III)_1-xSC (iii)_x)₂Hơn nữa, các ion scandium được sử dụng làm chất phụ gia không hoạt động oxi hóa khử không có electron 3D và được sử dụng làm MNO₂Giới thiệu tính ngẫu nhiên trong phân phối điện tích của bề mặt, và cũng đóng một vai trò trong việc ngăn chặn thứ tự quá mức của các ion natri và chỗ trống Ngoài ra, sự thay thế scandium đạt được các hạt mịn hơn, cải thiện khả năng chống nước, giảm sức đề kháng giao thoa và cũng thúc đẩy sự hình thành của một lớp bảo vệ bề mặt Những hiệu ứng kết hợp này cải thiện đáng kể sự ổn định cấu trúc và khả năng đảo ngược điện hóa, đạt được tuổi thọ dài hơn 300 chu kỳ Hiệu ứng hiệp đồng này không được thể hiện trong cấu trúc P2 không bị biến dạng và sự tương tác phối hợp giữa biến dạng của sợi-terrer và thay thế scandium là chìa khóa để cải thiện hiệu suất

Giáo sư Komaba, người đã lãnh đạo nghiên cứu này, đã nhận xét về kết quả nghiên cứu ", chúng tôi đã nghiên cứu về nghiên cứu này vì chúng tôi muốn phát triển các tài liệu sẽ dẫn đến ứng dụng thực tế của pin ion và cải thiện hiệu suất của chúng pin "

* Nghiên cứu này được thực hiện với các khoản tài trợ từ Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học và Công nghệ về Vật liệu điện hóa (DX-GEM, JPMXP112712807) JPMJAP2313), Dự án sáng tạo công nghệ GX sáng tạo (GTEX, JPMJGX23S4) và Hiệp hội nghiên cứu kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học của Nhật Bản (JP25H00905, JP24H00042, JP25H00905, JP24H00042) Hơn nữa, các thí nghiệm nhiễu xạ tia X sử dụng ánh sáng synchrotron trong nghiên cứu này đã được thực hiện trong cơ sở bức xạ synchrotron lớn (Spring)^-8) (2017A1399)

Thuật ngữ

*1: Hiệu ứng khủng bố sợi và biến dạng khủng bố sợi
Hiện tượng trong đó các phân tử và ion có quỹ đạo electron thoái hóa làm giảm tính đối xứng để ổn định năng lượng được gọi là hiệu ứng sợi-teller MN³⁺ion (d⁴Cấu hình điện tử) gây ra biến dạng cấu trúc phối hợp trong phối hợp bát diện, nhưng MN⁴⁺ion (d³118846_118990

Thông tin giấy

Tên tạp chí

Vật liệu nâng cao

Tiêu đề giấy

Tác động duy nhất của doping scandium đến hiệu suất điện cực của loại P'2- và P2 NA_2/3MNO₂

tác giả

Kodai Moriya, Shinichi Kumakura, Eun Jeong Kim, Yusuke Miura, Kei Kubota, Ryoichi Tatara và Shinichi Komaba

doi

101002/ADMA202511719