廈門大學廖洪鋼Angew. Chem.：揭示原子遷移能力對鈉離子電池陽極性能的影響

【工作簡介】

在鈉離子電池（SIBs）中，低的初始庫侖效率（ICE）通常是由不可逆的相轉化和困難的解吸引起的，尤其是在過渡金屬化合物（TMCs）上。然而，反應可逆性差的潛在物理化學機制仍然是一個有爭議的問題。

近日，廈門大學廖洪鋼教授等團隊通過使用原位透射電子顯微鏡和原位X射線衍射，證明了NiCoP@C是由P在碳層中的快速遷移和放電過程中分離的Na₃P的優先形成引起的。通過對碳涂層進行改性，抑制了Ni/Co/P原子的遷移，從而提高了ICE和循環穩定性。抑制引起組分分離和快速性能退化的快速原子遷移可能應用于廣泛的電極材料，并指導先進SIB的發展。

該成果發表國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，第一作者是：Zheng Qizheng, Zhou Shiyuan。

【背景】

鈉離子電池（SIBs）作為大規模儲能的潛在候選者，近年來已成為一個熱門話題。最近，過渡金屬化合物（TMCs）已被用作SIB中的高性能陽極。在這些材料中，過渡金屬磷化物（TMPs）通常具有500~2400 mA h g^?1（MPx+3xNa→ xNa₃P+M，M=Ni、Fe、Co等）。目前，大多數研究人員認為，由于Na⁺擴散動力學緩慢，重復鈉化/脫鈉過程中體積膨脹巨大，TMCs陽極的循環穩定性較差，電池性能中等。因此，人們提出了多種策略，包括納米結構工程、碳涂層、元素摻雜和電解質優化，這些策略可以在一定程度上提高電化學性能。

通常，TMPs通常需要與碳基底復合以增強導電性并抑制電極的體積膨脹。然而，在初始循環期間仍會發生明顯的容量衰減，這導致SIB的初始庫侖效率（ICE）較低和能量密度下降。到目前為止，用于SIB的TMPs陽極僅表現出30%~60%的ICE。因此，確定導致低ICE的關鍵因素并提出相應的SIB商業化策略至關重要。

為了更好地理解影響反應可逆性的因素并優化電化學性能，本工作構建了一系列NiCoP@C具有不同無序碳含量作為SIB的陽極。利用原位透射電子顯微鏡（TEM）對原子尺度的結構演變和產物分布進行了可視化。實時觀察表明，不同的原子遷移率會導致放電產物的分離，從而阻礙隨后的復合并導致低ICE。同步X射線吸收光譜（XAS）、X射線光電子能譜（XPS）和XRD表征表明，磷在碳中的快速遷移導致放電/充電產物的相分離和不可逆轉變。密度泛函理論（DFT）計算進一步證實了與Ni和Co相比，P在碳中的快速遷移。通過對具有強錨定位點的涂層碳材料進行改性，可以實現對原子遷移速率的調節。因此，在1500次循環后，在100mAg^–1下，實現了1.7倍的ICE改進和224 mAhg^–1的比容量。

圖1、其形態和微觀結構NiCoP@C在300°C下。

圖2、原位透射電鏡表征NiCoP@C。

圖3、結構表征。

圖4、Ni、Co、Na和P原子在a）理想石墨烯上的遷移勢壘，b）具有一個孔的石墨烯。插圖顯示了石墨烯上原子的遷移路徑。c） NiCoP@C在100 mA g^?1的循環性能。d） 原子遷移能力影響SIB陽極性能的示意圖。

進行DFT計算以研究相分離的形成。簡化的石墨烯模型用于在局部原子尺度上模擬碳層。首先，我們比較了Ni、Co、P和Na原子在理想石墨烯上遷移能力的差異。通過遷移路徑，我們發現當原子從苯環中心上方通過C-C鍵遷移到下一個穩定位置時，存在一定的能壘。

Ni/Co/Na/P原子在理想石墨烯上遷移的能壘分別為0.14、0.25、0.10和0.003 eV（圖4a）。與Ni和Co相比，P在石墨烯上的遷移能壘幾乎為零，這是P遷移最快的原因，然后導致相分離。采用簡化的單孔石墨烯模型模擬無序碳，討論了無序碳對原子遷移的影響。結果表明，Ni/Co/P原子在無序碳上的遷移需要克服強吸附，這阻礙了Ni/Co/P原子的遷移。出乎意料的是，無序碳對Na遷移幾乎沒有影響，顯示出與理想石墨烯類似的遷移屏障（圖4b）。

此外，無序碳與Ni/Co/P原子之間的強相互作用也表現在具有明顯電荷再分配的3D電荷密度差異中。這些理論計算結果也與上述實驗表征結果一致。因此，隨著無序碳的增加，原子遷移被進一步抑制，更多的Ni/Co/P組分可以被捕獲在一起，這使得后續的電荷反應更容易，并提高了反應的可逆性。從具有兩個納米孔和不同遷移路徑的石墨烯模型中可以獲得類似的結論。盡管在該計算中沒有考慮所有的遷移路徑和碳的無序度，但上述結果足以說明元素在碳層上的不同遷移速率以及無序碳對Ni/Co/P原子遷移的錨定作用。

【結論】

本工作構建了一個碳涂層NiCoP@C用于SIB的陽極。通過使用原位TEM，可視化了反應過程中無序碳對電極結構演變的影響。

與以前的觀點不同，本工作證明無序碳的增加不會影響Na的脫出。相反，無序程度越高的碳可以抑制活性元素（Ni/Co/P原子）的原子遷移，提高反應的可逆性。結合EXAFS、原位XRD和XPS結果，放電產物Na₃P的相分離應該是低ICE和電池性能差的原因。

DFT計算進一步表明，與Ni和Co相比，P需要zuidi的遷移能壘，這導致了Na₃P的孤立分布。最后，通過無序碳對原子遷移的限制，在1500次循環后，實現了高達1.7倍的ICE改進和在100mA g^-1下224mA h g^-1的比容量。這些發現為原子遷移誘導的不可逆反應和電極性能的快速降解提供了新的見解。了解原子遷移調節的基本機制有助于建立先進的儲能系統。

Unveiling Atom Migration Abilities Affected Anode Performance of Sodium-Ion Batteries

Qizheng Zheng, Shiyuan Zhou, Shi Tang, Hongbin Zeng, Yonglin Tang, Zhengang Li, Sangui Liu, Liangping Xiao, Ling Huang, Yu Qiao, Shi-Gang Sun, Honggang Liao