Met de voortdurende verbetering van elektronica, de ontwikkeling van hoogenergetische voedingen is een belangrijke schakel geworden in de toekomstige ontwikkeling van wetenschap en technologie. Echter, het tekort aan lithiumbronnen en de moeilijkheid om te recyclen zijn belangrijke factoren geworden bij het beperken van hun ontwikkeling.

Niet op lithium gebaseerde oplaadbare batterijen met een onuitputtelijke voorraad grondstoffen, zoals natriumionbatterijen (SIB's), hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen. Als de kritische determinant voor de energie-output van SIB's, de ontwikkeling van kathoden heeft een opwindende vooruitgang geboekt, inclusief gelaagde materialen, polyanionen en Pruisische blauwe analogen (PBA's), enzovoort.

Onder deze kathoden, Mn-gebaseerde Pruisische blauwe analogen (Mn-Fe PBA's, nee ₂ Mn[Fe(CN) ₆ ]) vertegenwoordigen een van de meest veelbelovende kathodematerialen voor SIB's vanwege hun hogere theoretische capaciteit en adaptieve volumevariatie. Echter, Mn-Fe PBA's lijden aan een slechte omkeerbaarheid van de cyclus en capaciteitsbehoud tijdens de faseovergang van kubische naar tetragonale fase, die verband houdt met de grote structurele vervorming van Mn-N ₆ octaëders veroorzaakt door Jahn-Teller-vervorming.

Eerdere pogingen om de grote structurele vervorming te onderdrukken, waren voornamelijk gericht op geoptimaliseerde fasestructuur of gedeeltelijke atomaire vervanging, maar deze methoden konden geen stabiele cyclus handhaven met behoud van een hoge capaciteit, die nodig is voor de praktische toepassing van batterijen.

In de studie die werd gepubliceerd in Chemo , de onderzoekers hebben een beheersbare strategie ontwikkeld om onconventionele kation-Mn-vacatures (VMn) op Mn-Fe PBA's te creëren door een sterke chelaatvormer te gebruiken, ethyleendiaminet etraazijnzuur dinatrium (Na ₂ EDTA). De VMn in Mn-Fe PBA's zou de beweging van Mn-N-bindingen kunnen beperken en daardoor de Jahn-Teller-vervorming van Mn-N kunnen verminderen ₆ octaëders, wat leidt tot zeer omkeerbare faseovergangen van NMF, evenals een uitstekende cyclusstabiliteit en capaciteitsbehoud op lange termijn (zie afbeelding).

Door het sterke chelerende effect van EDTA ₂ ^- , Mn ₂ ⁺ en EDTA ₂ ^- gechelateerd om een ​​zeer stabiele octaëder met zes coördinaten te vormen die niet alleen de afgiftesnelheid van Mn aanzienlijk vertraagt ₂ ⁺ evenals de vormingssnelheid van EDTA-NMF, maar verwijdert ook de Mn-atomen uit het kristalrooster. Naarmate de reactie vordert, de sterke coördinatie van Na ₂ EDTA zou doorgaan met het etsen van de NMF en meer VMn op het oppervlak creëren.

De VMn in Mn-Fe PBA's zou kunnen fungeren als de eerste barrière om structurele schade tijdens batterijcycli te voorkomen. Als resultaat, de Mn-Fe PBA's vertoonden een uitstekende cyclusstabiliteit op lange termijn en capaciteitsbehoud voor beide halfcellen (72,3% na 2700 cycli bij 0,5 A g ^-1 ) en full-cell (75,5% na 550 cycli bij 0,1 A g ^-1 ).

"Gezien de gemakkelijke synthese en grote diversiteit aan PBA's, dit werk bevordert niet alleen creatieve synthetische methodologieën voor beheersbare defect- of vacature-engineering, maar opent ook onbeperkte mogelijkheden om de relatie tussen structuur, vacatures en elektrochemische prestaties in materialen buiten PBA's, " zei hoofdauteur Associate Professor Yang Hui Ying van SUTD.