德國研究人員提出一種適合儲能應用的新型高熵材料
發布日期:2019-06-04    來源:中國高科技行業門戶    

主題詞新型高熵材料 ; 熵穩定氟氧基化合物

據外媒報道,德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的研究人員,提出一種適合儲能應用的新型高熵材料。他們在論文中報告,以最近設計的多陽離子過渡金屬基高熵氧化物為前體,LiF 或NaCl為反應物,用簡易機械化學方法,制備多陰離子和多陽離子化合物,從而生成鋰化或鈉化材料。
 
 

含鋰的熵穩定氟氧基化合物(Lix(Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)OFx),工作電位3.4 V vs. Li+/Li,可用作正極活性材料。與傳統(非熵穩定)氟氧化合物不同,這種新材料受益于熵穩定,表現出更強的鋰儲存性能,以前所未有的方式改變組成元素,提升循環性能。熵穩定的概念也適用于,具有巖石鹽結構的含鈉氯氧化物,從而為開發后鋰電池技術鋪平道路。

 

在眾多不同應用領域中,高熵材料(HEM)因其新穎、意想不到和前所未有的特性,獲得廣泛關注。HEM以引入高構型熵來穩定單相結構為前提。目前已經合成并公開的大量高熵化合物,包括碳化物、二硼化物、氮化物、硫系化合物和氧化物,在熱電、電介質和鋰離子電池等領域,有著廣泛的應用。最近出現的高熵材料,名為高熵氧化物(HEO),2015年由美國Christina M.Rost等人首次提出。

 

然而,目前為止,還沒有關于含有多個陰離子的HEM化合物的文獻報道。穩定的高構型熵效應,僅由晶體結構中的陽離子引起,因為陰離子位點的貢獻為零。因此,具有明顯熵穩定跡象的多陰離子和多陽離子單相結構物質的制備,具有重要意義,特別是考慮到,構型熵增益將比過渡金屬基HEO體系更大。KIT的論文是首次報道,多陰離子和多陽離子高熵氧鹵化物,及其在電化學儲能中的應用。

 

研究人員使用一種基于多陽離子過渡金屬的HEO(即只有氧離子占據陰離子位點),作為前體,引入額外的鹵素離子(X)和堿金屬離子,生成多陰離子、多陽離子的巖鹽型化合物(HEOX)。將一價氟引入由二價氧占據的HEO陰離子晶格中,通過在陽離子晶格中加入單價鋰(或鈉)來補償電荷。由于氟和氧離子半徑相似,所以,在單相巖鹽結構中,這種替代不會引起明顯應變。

 

通過將多個陰離子加入一個熵穩定的多陽離子化合物中,研究人員首次發現,在保持單相巖鹽結構的同時,不僅陽離子發生變化,陰離子也會變化。這些化合物構成一類新的熵穩定材料,陰離子晶格促進構型熵形成,從而獲得額外的結構穩定增益。通過這種方法,成功合成一種具有巖石鹽結構的氟氧基正極活性材料,適用于下一代鋰離子電池應用。

 

值得一提的是,熵穩定能顯著提高循環性能。此外,這種方法可以減少電池正極中有毒和昂貴元素,同時不明顯影響能量密度。綜上所述,多陰離子和多陽離子高熵化合物的概念,將帶來前所未有的新型儲能材料。



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