德國研究人員提出一種適合儲能應用的新型高熵材料 將為開發(fā)后鋰電池技術鋪平道路

據(jù)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(wěn)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(tǒng)（非熵穩(wěn)定）氟氧化合物不同，這種新材料受益于熵穩(wěn)定，表現(xiàn)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(huán)性能。熵穩(wěn)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(fā)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(wěn)定單相結構為前提。目前已經(jīng)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(xiàn)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(wěn)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(wěn)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(jù)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(jù)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(wěn)定的多陽離子化合物中，研究人員首次發(fā)現(xiàn)，在保持單相巖鹽結構的同時，不僅陽離子發(fā)生變化，陰離子也會變化。這些化合物構成一類新的熵穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定能顯著提高循環(huán)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。