CEJ观点：具有超稳定钠储存和加速动力学的超小尺寸高熵(FeCuCrMnNi)3O4/rGO的原子尺度存储机制研究

第一作者：李慧君

通讯作者：王晓敏*

单位：太原理工大学

钠离子电池中负极作为电极的核心部分是限制整个电池能量密度的关键，负极材料中如金属化合物、合金材料和非金属单质具有高理论比容量，但是体积膨胀严重，循环稳定性较差。因此，亟待开发兼具高比容量和稳定循环特性的负极材料。通过构型熵策略调控材料结构，可实现高电导率、高度可逆的晶相转变和高度固有的机械稳定性，从而有效缓解材料体积膨胀。基于上述思路，本论文提出采用超声喷雾热解、超声分散和热还原等简单经济环保的方法制备(FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ / rGO高熵复合材料，超小尺寸(FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ 均匀的分散在还原氧化石墨烯薄片之间，可以有效提高电解质的润湿性，缩短离子扩散路径。结果证明高构型熵和氧空位导致在充电过程中易脱嵌，且具有固有的机械性稳定性有效地缓解了累积的机械应力有利于获得优异的电化学性能，同时对高熵氧化物的储钠机理进行了讨论。这项工作为高能量密度钠离子电池负极的设计和开发提供了研究方向。

近日，来自 太原理工大学的李慧君助理研究员、王晓敏教授 ，在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表题为 “Atomic-scale storage mechanism in ultra-small size (FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ /rGO with super-stable sodium storage and accelerated kinetics” 的观点文章。该观点文章分析了超小尺寸高熵氧化物结构实现超稳定钠储存和加速动力学的内在原因，同时进一步探究了高熵氧化物多组分在储钠过程中的结构演变动态过程。

(FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ 晶体颗粒的超小尺寸（4.57nm）有利于(FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ 结构的稳定，缩短了Na ⁺ 的扩散路径。同时，由于超小尺寸效应，(FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ /rGO的赝电容性能也得到了提高，为钠离子电池提供了快速的动力学和持久的稳定性。

鉴于我们详细的实验和理论计算，我们发现钠在无缺陷模型上的吸附能比在有氧空位的模型上的吸附能要低得多，这说明钠可以更容易地从氧空位上逃脱。由于电荷转移较少，氧空位上的化学键较弱，导致放电过程中容易脱嵌。空置位点上的迁移势垒比无缺陷位点上的迁移势垒要低，表明氧空置位点上的扩散要比无缺陷位点容易得多。上述计算结果进一步揭示了（FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ /rGO超稳定循环性能的原因。

尽管许多报告表明，高熵氧化物的结构和性能及其对锂电池的电化学机制是独特的，但对Na ⁺ 电池储存机制的影响仍然是一个开放的问题。通过原位XRD研究了(FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ /rGO的可逆的嵌钠-脱钠过程：在放电初期，首先出现MO、M和Na ₂ O，随着放电的继续，尖晶石结构变为岩盐结构。当放电达到约0.56V时，尖晶石结构完全转变为岩盐结构。当开始充电时，岩盐结构向尖晶石结构的可逆转变继续进行。

Atomic-scale storage mechanism in ultra-small size (FeCuCrMnNi) ₃ O ₄ /rGO with super-stable sodium storage and accelerated kinetics

王晓敏 教授，教授、博士生导师，现任太原理工大学材料科学与工程学院院长，2005年博士毕业于太原理工大学材料加工专业，2006年赴日本东北大学访问学者1年，2014年德国，2016年英国短期培训。国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才，教育部课程思政教学名师，全国百篇优秀博士学位论文提名奖获得者。先后承担国家基金重点项目及国家、省部级科研基金项目30余项，在国际和国内学术期刊发表SCI论文100余篇，高水平及TOP期刊数为30余篇，他人引用1900余次，H因子23；撰写英文著作1部；获准国家发明专利20余项；获山西省科技进步二等奖1项。

李慧君 助理研究员，主要研究方向为碳基复合材料结构设计及储能研究，重点从事钠离子电池负极材料结构设计与应用研究，目前在Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Science and Technology等国际期刊发表学术论文20余篇，教改论文2篇，申请发明专利5项，授权发明专利3项。荣获2019年博士研究生国家奖学、2021年度教育部课程思政教学名师和教学团队、第七届中国大学生材料热处理创新创业大赛二等奖指导教师、山西省教学成果奖（高等教育）一等奖、第七届山西省“互联网+”大学生创新创业大赛银奖指导教师。

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