Merancang bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion
Green Tech

Merancang bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion


Potensi kationik dan penggunaannya dalam oksida berlapis natrium (Na) -ion. (A) Ilustrasi skema perwakilan kristal oksida berlapis tipe P2 (heksagonal) dan tipe O3 (rombohedral). (B) Potensial kationik perwakilan oksida berlapis ion Na tipe P2 dan O3, dengan mempertimbangkan kandungan Na, bilangan oksidasi logam transisi, dan komposisi TM. Kredit: Sains, doi: 10.1126 / science.aay9972

Lithium cobalt oxide adalah oksida logam berlapis yang menarik perhatian besar untuk mengembangkan baterai yang dapat diisi ulang. Baterai natrium-ion dapat menyimpan energi skala jaringan karena kelimpahan natrium alami. Komposisi dapat menentukan kimia struktural untuk kinerja elektrokimia, namun, karena komposisi yang kompleks, hasilnya sangat sulit untuk diprediksi. Dalam laporan baru sekarang Ilmu, Chenglong Zhao dan tim ilmuwan internasional di Akademi Sains China, China, Universitas Harvard, AS, Universitas Teknologi Delft, Belanda, dan Universitas Toronto, Kanada, memperkenalkan “potensi kationik” untuk menangkap interaksi kunci dari bahan berlapis dan memprediksi struktur susun yang dihasilkan. Tim menunjukkan bagaimana arsitektur penumpukan menentukan sifat fungsional untuk menawarkan solusi dalam mengembangkan oksida berlapis logam alkali untuk penyimpanan energi listrik.

Melapisi muatan

Peneliti harus mengembangkan sistem penyimpanan energi listrik yang berkelanjutan untuk memenuhi permintaan integrasi energi terbarukan yang terputus-putus. Jika dibandingkan dengan baterai lithium (Li) -ion, kelimpahan dan biaya rendah natrium (Na) membuat baterai Na-ion menjadi substituen yang menjanjikan untuk jaringan pintar dan penyimpanan energi skala besar. Sejak 1980, baterai berlapis Li-ion telah mewakili keluarga material elektroda yang dominan; secara kebetulan dikembangkan sebagai bahan katoda baru di mana ilmuwan material Amerika JBGoodenough akhirnya menerima Penghargaan Nobel Kimia bersama dengan M. Stanley Whittingham dan Akira Yoshino, pada tahun 2019. Satu atau beberapa elemen logam transisi (TM) dapat memfasilitasi reaksi redoks yang terkait dengan Li -ion ​​(de-) interkalasi. Misalnya, ilmuwan material dapat membangun struktur berlapis dari oksida logam transisi edge-sharing (TMO6) oktahedra untuk membentuk lapisan berulang, di antaranya ion litium dapat ditempatkan di lingkungan oksigen oktahedral untuk mengamati penumpukan tipe-O. Arsitektur ini menawarkan keragaman komposisi yang tinggi dan kinerja elektrokimia yang dapat disesuaikan dengan muatan yang ditingkatkan.

Merancang bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion

Merancang oksida tipe O3. (A) Analisis potensi kationik oksida Na-Li-Mn (Ti) -O. (B) Pola XRD dari NaLi1 / 3Mn2 / 3O2 yang ditargetkan dan referensi standar. (C) Perbaikan Rietveld dari pola XRD NaLi1 / 3Ti1 / 6Mn1 / 2O2. (D) Ilustrasi skematis dari struktur yang sesuai dengan urutan Li / Mn (Ti) dalam [Li1/3Ti1/6Mn1/2]Lembaran O2. Kredit: Sains, doi: 10.1126 / science.aay9972

Mengembangkan baterai natrium-ion.

Oksida berlapis menawarkan titik awal alami dalam pencarian elektroda untuk baterai natrium (Na) -ion. Namun, selain dari penumpukan tipe-O untuk oksida ion Na, penumpukan tipe-P juga dapat terjadi, dimana tipe-P mengacu pada koordinasi ion Na-prismatik dengan kinerja elektroda yang sangat berbeda. Para peneliti telah menyelidiki berbagai oksida berlapis natrium-ion tipe P2 (heksagonal) dan tipe O3 (rombohedral) untuk mencari elektroda dengan stabilitas kimia dan dinamis yang baik, serta kinerja penyimpanan Na yang tinggi. Namun demikian, pedoman yang efektif belum tersedia untuk merancang dan menyiapkan bahan elektroda optimal yang sesuai untuk baterai natrium-ion.

Merancang bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion

Mendesain oksida tipe P2. (A) Analisis potensi kationik oksida Na-Li-Mn-O. (B) Pola XRD oksida NaLi1 / 3Ti1 / 6Mn1 / 2O2 dan Na5 / 6Li5 / 18Mn13 / 18O2. (C) Perbaikan Rietveld dari pola XRD Na5 / 6Li5 / 18Mn13 / 18O2. (D) Ilustrasi skematis dari struktur yang sesuai dengan urutan Li / Mn dalam [Li5/18Mn13/18]Lembaran O2. Kredit: Sains, doi: 10.1126 / science.aay9972

Menggunakan potensi kationik untuk merancang baterai ion natrium

Zhao dkk. oleh karena itu ditujukan pada deskriptor sederhana untuk oksida berlapis dan menyatakan tingkat kerapatan kation dan polarisabilitasnya, dinormalisasi menjadi anion potensial ionik dengan mendefinisikan “potensial kationik”. Kemudian mereka menggunakan potensial kationik sebagai panduan untuk merancang struktur penumpukan tertentu dengan mengontrol kandungan natrium dan komposisi logam transisi. Sebagai titik awal, mereka menggunakan katoda oksida berlapis berbasis mangan (NaLi1/3M N2/3HAI2), sementara kalkulasi teoritis menunjukkan senyawa tersebut stabil dalam struktur tipe-O3, komposisi itu sendiri tetap harus disiapkan secara eksperimental dalam orientasi tersebut. Zhao dkk. oleh karena itu menurunkan potensi kationik sebagai rute yang memungkinkan untuk secara eksperimental menghasilkan struktur tipe O3 yang diharapkan dengan mengganti kation mangan (Mn4+) dengan kation titanium (Ti4+) Mengandung potensi ionik yang lebih rendah untuk membentuk katoda oksida berlapis berbasis titanium (NaLi1/3Kamu1/6M N1/2HAI2) dalam konfigurasi tipe O3 yang diharapkan. Tim mengkonfirmasi hasil menggunakan pola difraksi sinar-X untuk menunjukkan struktur garam-batuan berlapis, di mana natrium superoksida (NaO)2) lapisan bergantian dengan oksida berlapis berbasis titanium campuran (Li1/3Kamu1/6M N1/2HAI2).

Merancang bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion

Peta fase potensial kationik untuk oksida berlapis logam alkali. Ringkasan bahan berlapis logam alkali yang dilaporkan termasuk oksida ion Li- / Na- / K-ion. Kredit: Sains, doi: 10.1126 / science.aay9972

Memperluas potensi kation ke oksida berlapis logam lainnya

Tim kemudian menggunakan potensi kationik untuk merancang struktur tipe P2 yang ditujukan pada kandungan Na yang sangat tinggi, dimulai seperti sebelumnya dari katoda oksida berlapis berbasis mangan (NaLi1/3M N2/3HAI2). Dalam hal ini, untuk mencegah pembentukan struktur tipe O3, mereka meningkatkan potensial kationik dengan meningkatkan potensial ionik pada situs logam transisi. Komposisi yang dihasilkan mempertahankan struktur tipe P2 yang berhasil disiapkan dengan kandungan natrium tinggi dan juga memiliki muatan listrik berkapasitas lebih tinggi lebih dari 200 miliampere jam (mAh) g−1. Tim memperluas potensi kationik ke oksida berlapis logam alkali lainnya, termasuk ion litium dan kalium, di mana potensi kationik yang dihasilkan meningkat dari kalium menjadi natrium menjadi litium. Pekerjaan tersebut menunjukkan bagaimana potensi kationik dapat memprediksi struktur bahan berlapis oksida logam transisi / natrium baru yang relatif terhadap permintaan komposisi tertentu.

Merancang bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion

Karakterisasi morfologi dan struktural oksida NaLi1 / 3Ti1 / 6Mn1 / 2O2. Pemindaian gambar mikroskop elektron dan gambar mikroskop transmisi bidang gelap annular resolusi atomik. Kredit: Sains, doi: 10.1126 / science.aay9972

Pandangan

Dengan cara ini, Chenglong Zhao dan rekannya mendemonstrasikan potensi ionik sebagai ukuran polarisasi ion untuk mencerminkan pengaruh energi elektrostatis pada sistem. Tim mengusulkan metode potensial kationik untuk membedakan dan merancang bahan yang berguna untuk oksida berlapis natrium-ion. Pendekatan potensial kationik yang dikembangkan di sini, bagaimanapun, tidak berlaku untuk beberapa kondisi, termasuk senyawa tidak teratur yang dihasilkan dari penggilingan mekanis atau oksida yang dibuat dalam kondisi khusus. Potensi kationik hanya diprediksi jika material yang diusulkan akan mengkristal dalam struktur tipe P atau O. Tim bertujuan untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang informasi struktural untuk memutuskan apakah bahan yang sesuai stabil atau praktis relatif terhadap permintaan komposisi tertentu dalam teknik material.


Metode untuk memprediksi struktur atom baterai natrium-ion


Informasi lebih lanjut:
Zhao C. dkk. Desain rasional dari bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion, Ilmu, DOI: 10.1126 / science.aay9972

Bianchini M. dkk. Interaksi antara termodinamika dan kinetika dalam sintesis solid-state dari oksida berlapis, Bahan Alam, doi.org/10.1038/s41563-020-0688-6

Disediakan oleh Science X Network

© 2020 Science X Network

Kutipan: Mendesain bahan oksida berlapis untuk baterai natrium-ion (2020, 16 November), diakses 27 November 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-11-layered-oxide-materials-sodium-ion-batteries.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Lagutogel