锰基层状氧化物钠离子电池正极材料中氧阴离子的氧化还原反应机理及应用研究

Sodium ion battery, which shows advantage on resource and cost when compared with lithium ion battery, is needed to improve its energy density and cycling stability. A special oxygen anion redox mechanism is going to be introduced in the Mn based layered oxide as positive electrode for sodium ion batteriesis in this project. The two redox centers, manganese and oxygen, will increase largely the energy density of electrode and battery. First, we will calculate the effects on crystal configuration, atom position, oxidative degree and sodium migration from the type and the amount of different elements on transition layer. With the help of material simulation soft, new materials are going to be designed, prepared, characterized and improved. At the same time, stable solid electrolyte at high voltage for sodium ion battery will be explored, which can build a stable electrode/electrolyte interface for advance sodium ion battery. Another aim of the project is to clarify the oxygen anion redox mechanism in sodium ion battery. A new type of sodium ion battery with high energy density and long cycle life is expected to be developed.

与锂离子电池相比具有资源和成本优势的钠离子电池在能量密度和循环稳定性方面仍需要进一步提高。本项目拟将氧阴离子氧化还原机理引入锰基层状氧化物类钠离子电池正极材料，通过双氧化还原中心来提高电极材料和电池整体的能量密度。拟首先通过材料计算，从晶体构型、原子占位、氧化程度和离子迁移等方面考察不同数量的不同元素进入过渡金属层对结构的影响，并通过计算软件模拟和设计新材料。然后进行合成工艺研究和材料改性，获得性能优化的材料，并进行电化学性能的考察和评价。同时进行具有高电压稳定性的固态钠离子电池电解质的开发，构建循环稳定的电极/电解液界面。明晰氧阴离子的氧化还原过程在钠离子电池体系中的工作机制，开发出新型的具有长循环寿命的高能量密度低成本钠离子电池。

钠离子电池相较于锂离子电池，在资源和成本方面有明显的优势。将氧阴离子氧化还原机制引入钠离子电池正极材料，有望提高其能量密度。本项目从材料计算、结构设计和合成工艺角度展开了对锰基层状氧化物类钠离子电池正极材料的研究。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，计算了在Na-Mn-O层状氧化物晶体中掺杂不同计量元素的位置、能量和成键情况。重点设计和计算了Li掺杂的的模型，构建出合理的Na2/3Li1/6Mn5/6O2晶体结构，从理论计算的角度解释了Na2/3+xLi1/6Mn5/6O2中氧阴离子参与电荷补偿的机理，确定该材料中钠离子迁移方式以及输运性能。为这一类涉及氧阴离子氧化还原的电极材料的开发研究提供了一定的参考依据。.合成了大量不同计量掺杂和各种表面处理的样品，主要考察了它们的电化学性能，总结了规律。发现Na-Li-Mn-O体系是最有效的激发和保持氧阴离子可逆氧化还原反应的钠离子电池层状氧化物正极材料体系，Na/Li/Mn的比例有显著的影响。表面包覆，特别是硒包覆，明显提高了材料的循环稳定性。表明具有氧阴离子电化学反应活性的Na-Li-Mn-O材料所表现出来的氧的可逆氧化还原性虽然起源于材料内部的结构，但其稳定性主要与材料表面性质相关。还对高电压固态电解质的进行了设计与合成。