钠离子电池仍然有许多弱点，可以通过优化电池材料来弥补。一种可能是在阴极材料中掺杂外来元素。来自HZB和Humboldt-Universit?t柏林大学的一个研究小组现在研究了使用钪和镁的影响。

　　科学家们在x射线源BESSY II、PETRA III和SOLARIS上收集数据，以获得完整的图像，并揭示了决定阴极稳定性的两种相互竞争的机制。他们的研究发表在《先进材料》杂志上。

　　锂离子电池(LIB)具有每千克最高的能量密度，但锂资源有限。另一方面，钠的供应几乎是无限的，就能量密度而言，它是第二好的选择。因此，钠离子电池(sib)将是一个很好的替代方案，特别是如果电池的重量不是主要问题，例如在固定能量存储系统中。

　　然而，专家们相信，通过设计有针对性的阴极材料，这些电池的容量可以显著增加。由层状过渡金属氧化物与镍和锰元素(NMO阴极)制成的阴极材料特别有前途。

　　它们形成寄主结构，其中钠离子在放电时储存，在充电时再次释放。然而，存在化学反应的风险，这些化学反应最初可能会提高容量，但最终会通过局部结构变化使阴极材料降解。这就导致了钠离子电池寿命的缩短。

　　“但我们需要高容量和高稳定性，”凯瑟琳·马齐奥博士说，她是HZB和Humboldt-Universit?t柏林大学联合研究小组Operando电池分析的成员，该小组由菲利普·阿德尔海姆教授领导。在博士生李永春的带领下，他们现在研究了掺杂外来元素是如何影响NMO阴极的。

　　选择离子半径与镍(Ni 2+)相似但价态不同的元素作为掺杂剂:镁(Mg 2+)离子或钪离子(Sc 3+)。

　　为了破译这两种元素的影响，他们不得不在三种不同的x射线源上进行实验。

　　在BESSY II，他们使用共振非弹性x射线散射(RIXS)和x射线吸收光谱(XAS)在软x射线和硬x射线范围内分析样品;在PETRA III上，他们用x射线衍射(XRD)和硬x射线对分布函数分析(PDF)评估了结构变化，为了更详细地了解镁元素，他们在SOLARIS的PIRX光束线上进行了额外的软XAS研究。

　　“结果让我们很惊讶，”Mazzio解释说。虽然在电化学循环中，掺杂钪导致的结构变化比掺杂镁少，但并不能提高稳定性。“到目前为止，人们认为抑制相变(以及体积变化)也会提高阴极材料在许多循环中的循环性能。但这还不够。”

　　镁的掺杂更能抑制NMO中的氧氧化还原反应。这也是出乎意料的，因为众所周知，镁会引发层状锰氧化物中的氧氧化还原反应。Mazzio解释说:“我们分析了NMO中不同的Mg/Ni比例，发现氧氧化还原反应在接近1的比例下达到最小。”

　　“只有结合先进的x射线技术，我们才能证明，不仅仅是抑制相变对改善长期循环行为很重要，而且Ni和O氧化还原活性之间的相互作用也决定了性能。”

　　更多信息:李永春等，竞争机制决定Na离子电池中掺杂Ni-Mn基层状氧化物的氧氧化还原，Advanced Materials(2024)。DOI: 10.1002 / adma.202309842引文:钠离子电池:兴奋剂如何工作(2024年，2月21日)检索自2024年2月21日https://techxplore.com/news/2024-02-sodium-ion-batteries-doping.html本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。