贝叶斯优化实现钠离子电池高性能正极材料

注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析

在电化学储能领域，钠离子电池（SIBs）凭借低成本和高体积能量密度备受关注，正极材料性能的上限决定钠离子电池电化学性能的上限。近日，北京航空航天大学的张瑜教授（点击查看介绍）、刘大鹏副教授（点击查看介绍）团队提出了一种极具创新性的解决方案——基于贝叶斯优化的La³⁺掺杂层状正极材料，为钠离子电池的发展注入新活力。

该团队通过贝叶斯优化（BO）算法成功得到最佳La³⁺掺杂量，合成了 O₃-NaNi_0.39Mn₀.₅₀Cu_0.06La_0.05O₂（被称为NMCL）。其中NMCL的O 2p 轨道与过渡金属的 t_2g 轨道重叠，促进了 Na-O-La 键的形成并促进了氧氧化还原反应动力学。在 Na⁺脱嵌过程中，NMCL 表现出显著的负晶格膨胀，其特征是 c 晶格参数增加和异常低的体积膨胀分别为 1.8% 和 3.4%。因此，它在 2.0 V - 4.5 V 的宽电压范围内提供 243.3 mAh g^-1 的出色比容量。研究团队使用X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）来揭示电化学过程中存在阴离子氧化还原。原位X射线衍射（XRD）分析表明，NMCL在高压下表现出负晶格膨胀。此外，密度泛函理论（DFT）计算支持XPS和XAS分析确定的电荷补偿机制。这种新颖的方法为先进正极材料的设计开辟了新的途径。

图1.（a）合成示意图，（b-e）放电容量、目标成分和放电电压的关系。

图2.（a）精修XRD图谱，（b）晶体结构示意图，（c1，c2）NMCL的HRTEM、SAED，以及（c3）其对应的应变分布，（d1，d2）NMC的HRTEM、SAED，以及（d3）其对应的应变分布。

图3. NMCL和NMC的电化学性能：（a）充电/放电曲线，（b）0.1C下的循环测试，（c）倍率能力，（d）1C下的循环测试，基于NMCL和硬碳的全电池装置（e）CV曲线和恒电流充电/放电曲线，（f）不同圈数的恒电流充放电曲线，（g）循环性能，以及（h）倍率性能。

图4.（a，b）NMCL和NMC的原位XRD图谱，（c）晶体结构变化过程示意图，（d）c轴晶格参数和体积演变。

图5.（a-c）不同充电和放电状态下的XPS光谱。（d）沿（001）方向观察带电NMCL结构中LaO₆畸变的示意图。

图6.（a，b）PDOS,（c）O的平均bader电荷,（d，e）O K边X射线吸收光谱,（f）轨道组合示意图,（g）电子定域函数

总之，精心设计的NMCL获得了高性能，NMCL的负晶格膨胀有利于降低晶格应变和增强结构稳定性。此外， O 2p和TM轨道之间的重叠促进晶格氧氧化还原反应。这项研究先进的阴极材料提供了新的见解，这些材料同时具有高比容量并负晶格膨胀。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

La³⁺ Doped Nickel-Manganese Oxide as High-Capacity Cathode for Sodium-Ion Batteries Guided by Bayesian Optimization

Jie Feng, Dapeng Liu, Jin Sun, Xiangrui Gong, Tingting You, Ying Jiang, Yu Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202424572

导师介绍

张瑜

https://www.x-mol.com/university/faculty/19054 

刘大鹏

https://www.x-mol.com/university/faculty/373962