黄维院士团队发表关于相变助力负极材料储钠性能的研究进展

张明 2024-02-05

基于多电子转移反应的转换型负极材料因高的理论比容量而受到研究人员的广泛关注，然而离子插入和脱出过程中迟缓的电化学动力学与大的晶格应力成为制约转换负极发展的关键科学难题。硒化锰（MnSe）因其储量丰富、无毒、原子质量小等优点，被认为是低成本、高比容量负极的候选材料之一。其晶体形态有α-MnSe、β-MnSe和γ-MnSe三种，其中岩盐型α-MnSe是热力学最稳定的状态，主要作为负极材料进行研究。然而，闪锌矿型β-MnSe理论上更有利于钠离子的储存，但其晶体结构不稳定。因此，探索一种可靠的相调控策略构筑β-MnSe以实现优异的钠离子存储是至关重要的。

近日，西北工业大学黄维院士团队崇少坤副教授课题组构筑了由δ-MnO₂衍生的α-MnSe（δ-α-MnSe）作为钠离子电池负极材料，证实了δ-α-MnSe在首次Na离子插入/脱出后会转变为β-MnSe，在随后的充放电过程中经历了以Mn离子为氧化还原中心的转换机制；揭示了Na离子在无缺陷α-MnSe中的迁移可以驱动晶格畸变进而产生α→β相变；形成的β-MnSe具有稳健的晶格结构和小的Na离子扩散势垒，从而提高了结构的稳定性和电化学动力学。该文章以“Boosting Manganese Selenide Anode for Superior Sodium-Ion Storage via Triggering α → β Phase Transition”为题发表在国际著名期刊ACS Nano上。西北工业大学黄维院士、崇少坤副教授为本文的共同通讯作者。

α-MnSe晶体中钠离子的存在通过动力学降低α到β的结构演化势垒，同时通过热力学降低β-MnSe的形成能进而诱导相变。在结构上，钠离子在α-MnSe中的输运也会迫使Mn和Se原子移动，促进晶格畸变，从而驱动相变。新形成的β-MnSe具有足够大的空腔和稳定的Na扩散结构框架，从而增强了Na离子输运动力学行为和优异的结构稳定性。