高熵氧化物（High Entropy Oxides, HEO）作为一种新型化合物，因其具有独特的特性而广受科学界关注。HEO代表可以结晶为单相的多元素金属氧化物系统，其中不同的组分可以是不同的晶体结构。通常，在HEO中有五个或更多元素共享相同的原子位点，形成稳定的固溶体。由于这些材料的组成及其复杂，它们通常表现出优异的性能，例如高断裂韧性、高强度、良好的高温/低温性能、良好的储能性质等。
近年来，钠离子电池因其具有低成本和来源丰富的特点，得到了学术界和工业界的广泛关注。目前已经提出来了多种多样的正极材料，例如氧化物、聚阴离子类化合物、普鲁士蓝类化合物等，其中层状氧化物因为具有能量密度高、容易合成、较高的结构稳定性和优异的钠离子嵌入/脱出可逆性而引起了极大的关注。为了得到高性能的新型材料，大量的金属元素如3d过渡金属（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）、碱/碱土金属（Li、Mg、Ca）和4d/5d过渡金属（Ru、Sn、Sb、Te、Ir、Bi），甚至空位都被引入到NaxTMO2体系的TM晶格位置。但是在已报道的NaxTMO2体系层状氧化物中，具有五个或五个以上金属元素的材料非常少。因此，探究高熵化学在层状氧化物正极中的潜在作用具有特殊意义。
近日，中科院物理研究所胡勇胜研究员（点击查看介绍）等通过高温固相反应法，成功合成了单相O3型的高熵氧化物，NaNi0.12Cu0.12Mg0.12Fe0.15Co0.15Mn0.1Ti0.1Sn0.1Sb0.04O2，并研究其作为钠离子电池正极材料的储钠机理及性能。通过原位XRD研究其充放电过程中的结构发现：在起初的充电过程中，原始的O3相（R-3m）先转变为具有相同空间群但晶胞参数略微不同的O3'相；当脱出0.32 mol Na+后，转变新的物相P3相（R3m）；在放电过程中，P3相可逆地转变为O3'相，并没有回到初始态的O3相。第二周的原位XRD测试结果表明充放电过程为可逆的O3'和P3转变。值得注意的是，通过对比放电过程中P和O相结构对应的可逆比容量发现：O3'相下拥有60%的可逆比容量，远高于目前文献中报道的其他O3型层状正极材料。文中提出高熵氧化物中多组分的过渡金属离子可以调节钠离子嵌入/脱出过程中的局部结构，从而使相转变得以延迟并高度可逆。该材料表现出优异的倍率和循环性能，5C充放电倍率下的容量为0.1C的80%，3C倍率下循环500周后容量保持率为83%。该工作将高熵化学引入正极材料的设计中，为进一步开发新型钠离子电池提供了新的思路。
相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上，第一作者为博士生赵成龙。
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High-entropy chemistry stabilizing layered O3-type structure in Na-ion cathode
Chenglong Zhao, Feixiang Ding, Yaxiang Lu, Liquan Chen, and Yong-Sheng Hu
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201912171
导师介绍
胡勇胜
https://www.x-mol.com/university/faculty/73375
（本稿件来自Wiley）
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