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    Le mélange de cations induit un stockage de sodium très efficace pour les cathodes en couches

    Evolution structurale de l'électrode NNCT au cours du premier cycle. Modèles XRD in situ collectés pour l'électrode NNCT cyclée dans la plage de tension de 2,0 à 4,0 V (a); Images STEM de la vierge (en bas), complètement chargé (milieu), et des électrodes NNCT (b) complètement déchargées (supérieures) et les profils de ligne correspondants (c); Illustration schématique de l'évolution structurelle de l'électrode NNCT pendant la charge/décharge (d). Crédit :Science China Press

    Le sodium est l'un des éléments les plus abondants, largement répandu sur Terre et dans l'océan. Ainsi, Les batteries sodium-ion attirent beaucoup d'attention pour une application dans le stockage d'énergie à grande échelle. Les cathodes les plus populaires pour les SIB, c'est à dire., les oxydes contenant du sodium en couches, présentent généralement un réarrangement réversible de l'hôte entre l'empilement de type P et de type O lors de la charge/décharge. Un tel réarrangement de l'hôte est défavorable en raison de plusieurs facteurs :(1) La phase de type O est indésirable par rapport au type P, car ce dernier possède un cadre plus ouvert pour le transport Na-ion; (2) Les réarrangements de la structure de l'hôte indiquent une dynamique de réaction lente, ce qui contribue à l'hystérésis de tension et à la faible capacité de débit de l'électrode ; (3) La grande variation des paramètres de réseau entre le type P et le type O conduit à une déformation élastique, provoquant la perte de matière active et la perte de capacité qui en résulte.

    Sur la base des raisons ci-dessus, Haoshen Zhou et le groupe de Shaohua Guo de l'Université de Nanjing ont synthétisé le Na de type O3 0,8 Ni 0,3 Co 0,1 Ti 0,6 O 2 (NNCT), et a constaté que l'électrode NNCT présentait la caractéristique de mélange de cations en introduisant des ions de métaux de transition dans les couches de Na pendant la charge initiale, supprimant ainsi le réarrangement de l'hôte lors de la charge/décharge par "l'effet d'épinglage" induit. De plus, la phase de type O est indésirable par rapport au type P, car ce dernier possède un cadre plus ouvert pour le transport Na-ion. Par conséquent, le NNCT avec empilement P3 stable après le processus de charge initiale présente une capacité de débit supérieure, haute efficacité énergétique et excellentes performances de cyclisme. Ce groupe a caractérisé l'évolution structurelle au cours de l'insertion/extraction électrochimique du sodium par des expériences de DRX in situ et de STEM ex situ. La figure 1 montre l'évolution structurelle de l'électrode NNCT au cours du premier cycle. NNCT se transforme en type P3 dans le processus de charge initiale comme le font la plupart des autres, mais maintient de manière inattendue l'empilement P3 dans les cycles suivants. Les résultats STEM indiquent la présence d'ions de métaux de transition dans les couches de sodium à l'électrode NNCT chargée, présentant le phénomène de mélange de cations.

    Les performances électrochimiques des cathodes NNT et NNCT ont été comparées sur la figure 2. Les courbes presque superposées suggèrent la haute réversibilité du NNCT avec une capacité réversible de 92 mAh* g-1 à 0,05C. Les courbes de décharge montrent une rétention de capacité élevée (92 %) et une dégradation de tension négligeable (0,03 V) sur 300 cycles sont observées. L'efficacité énergétique aller-retour est stabilisée à 93% pour l'électrode NNCT, et l'efficacité coulombienne de la cathode NNCT est d'environ 99,7 %. Plus important, La cathode NNCT offre d'excellentes performances de cyclage à long terme, c'est à dire., 98% de rétention de capacité après 1000 cycles.

    Ce travail propose que "l'effet d'épinglage" induit par l'introduction du mélange de cations pourrait supprimer efficacement la transition de phase et l'arrangement relatif de l'hôte, améliorant ainsi considérablement la stabilité structurelle. Les résultats soulignent le rôle critique du cadre de stockage stable du sodium, et ouvrira également une nouvelle voie pour la conception de matériaux de stockage d'énergie à haute efficacité.

    (a) Les profils de tension typiques de NNT à un taux de 0,05C. (b) La capacité de débit de NNT. (c) Les courbes de décharge de NNT au premier et tous les 25 cycles avec un taux de 0,5C, jusqu'à 300 cycles. (d) Les profils de tension typiques de la région NNCT à un taux de 0,05C. (e) La capacité de débit de NNCT. (f) Les courbes de décharge de NNCT au 1er et tous les 25 cycles avec un taux de 0,5C, jusqu'à 300 cycles. (g) Les courbes d'efficacité énergétique aller-retour des électrodes NNCT et NNT à un taux de 0,5C pendant 100 cycles. (h) La performance à cycle long et l'efficacité coulombienne du NNCT pour 1, 000 cycles aux tarifs 5C. Crédit :Science China Press




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