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临沂大学姜晓蕾教授《CEJ》:通过相同元素设计实现构型熵解耦,一种具有优异动力学性能与循环稳定性的中熵材料

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Na₃V₂(PO₄)₂F₃(NVPF)因结构稳定、能量密度优异,是钠离子电池正极研究热点。但[PO₄]³⁻本征绝缘导致电子电导率低,Na⁺半径较大又造成扩散迟滞,制约应用。构型熵策略为改性提供新思路,但在NVPF中直接比较低熵与中熵多元素掺杂,常受元素种类差异干扰,难以将性能增益纯粹归因于熵效应。

近日,临沂大学姜晓蕾教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表论文,提出“同元素、差异化构型熵”策略:固定Fe、Mn、Ni、Cu四种过渡金属,仅调控比例,合成低熵LE-NVPF(ΔSconf=0.73R)和中熵ME-NVPF(ΔSconf=1.09R),从根源排除元素性质干扰,揭示构型熵在结构演化、电子离域和电化学性能中的独立作用。中熵效应可诱导晶格扩张、提高Na(2)位点占据率、拓宽Na⁺扩散通道,并通过增强三维轨道杂化强化TM–O键、缩小带隙。故ME-NVPF在容量、倍率和动力学上优于LE-NVPF及原始NVPF;与碳网络复合后,协同缓解循环应力,降低体积变化与电荷转移电阻。

一:同元素设计使熵效应独立显现

以Fe、Mn、Ni、Cu部分取代V位,在元素种类一致下合成LE-NVPF、ME-NVPF。Rietveld精修XRD显示,随构型熵升高,晶胞参数规律扩张、体积增大,为Na⁺扩散提供空间;Na(2)位点占有率由NVPF的0.500升至ME-NVPF的0.675,利于脱嵌。XPS证实V以V³⁺/V⁴⁺混合价态存在,Fe²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺/Ni³⁺、Cu²⁺成功固溶,为多重氧化还原提供可能。


图1,a) NVPF、LE-NVPF、ME-NVPF和ME-NVPF@C 的 XRD 图谱;b, c) LE-NVPF 和ME-NVPF正极的Rietveld精修图谱;d) NVPF、LE-NVPF 和 ME-NVPF 的晶胞参数对比图;e) NVPF、LE-NVPF 和 ME-NVPF 正极的晶体结构示意图。


图2,ME-NVPF@C的高分辨率 XPS图谱:a)V2p;b)Mn2p;c)Fe2p;d) Ni2p;e)Cu2p;f)C1s;g)四种样品的拉曼光谱;h)LE-NVPF和 ME-NVPF的元素分析结果;i) ME-NVPF@C的 SEM图像;j) TEM图像;k) HRTEM图像;l) SAED衍射图;m) GPA图像;n) EDS元素映射图。

二:中熵协同包覆提升电化学性能

构型熵调控激活多电子氧化还原,拓宽3.6 V平台并降低极化。ME-NVPF倍率与长循环稳定性优于LE-NVPF和NVPF。ME-NVPF@C在0.1 C放电比容量达108.4 mAh·g⁻¹;5 C循环2500圈容量保持率63.1%,前三圈CV高度重合。其Na⁺平均表观扩散系数为3.27×10⁻¹¹ cm²·s⁻¹,约为纯相NVPF的2倍;循环后电荷转移电阻和Warburg系数显著降低,阻抗变化小。


图 3, ME-NVPF 样品的电化学性能:a)0.1 C下的恒流充放电(GCD)曲线;b)四种样品的倍率性能;c)0.5 C下的循环性能;d)2 C下的循环性能;ME-NVPF@C 的电化学性能:e)0.1 mV· s-1扫描速率下的前三圈循环伏安(CV)曲线;f)0.1、0.5、1、2、5 和 10 C 下的恒流充放电曲线;g)5 C、10 C和 20 C下的长循环性能。


图4,ME-NVPF@C的电化学动力学分析:a)不同扫描速率(0.1-0.8 mV·s-1)下的 CV曲线;b)CV曲线中不同氧化还原峰的log (Ip)与log (v)拟合曲线;c)0.2 mV·s-1下的赝电容贡献曲线;d)0.1~0.8 mV·s-1扫描速率范围内的赝电容贡献直方图;e)GITT测试曲线及对应的 Na+扩散系数曲线;f)NVPF、LE-NVPF 和 ME-NVPF在 10 C下循环 200次后的 EIS曲线;g)ME-NVPF@C在 10 C下循环 200次和 500 次后的 EIS曲线;h)ME-NVPF@C在 20 C下循环前后的 XRD图谱。

三:单相固溶储钠与近零应变

非原位XRD显示,ME-NVPF@C为可逆单相固溶反应,充放电全程无新相生成或消失,仅衍射峰可逆偏移。Rietveld精修表明,其体积变化率仅0.47%,低于NVPF的0.77%。原位EIS显示,充放电中电荷转移电阻变化仅159.1 Ω,远小于NVPF的242.5 Ω,说明中熵与碳网络协同显著提高电子导电性。


图 5,循环过程中的非原位XRD图谱:a)NVPF;b)ME-NVPF@C。NVPF和 ME-NVPF@C循环过程中的晶胞参数对比:c)a/b 轴;d)c 轴;e)晶胞体积。1 C下的原位 EIS分析:f)NVPF;g)ME-NVPF@C;h)充放电过程中 NVPF 和 ME-NVPF@C的Rct变化与对比。

四:理论计算揭示增强本质

DFT表明,ME-NVPF费米能级处TDOS(EF)为36.4 states/eV,远高于LE-NVPF的10.6 states/eV和NVPF的0.05 states/eV,实现半导体向金属性转变。差分电荷密度与Bader电荷分析显示,M—O、M—F键电子积累增强,金属d轨道与O/F p轨道杂化强化。ICOHP分析表明,V—O、Fe—O、Mn—O、Cu—O键共价强度显著增强,虽Ni–O略弱,但多重强键协同构成稳固骨架,抑制晶格畸变与键断裂,提升结构稳定性。


图6,态密度(DOS)图:a)NVPF、b)LE‑NVPF和c)ME‑NVPF在完全嵌钠状态下的总态密度;d)LE‑NVPF和ME‑NVPF的差分电荷密度分布(黄色代表电子积累,蓝色代表电子耗尽);e)LE‑NVPF和ME‑NVPF中金属中心[MO₄F₂](M = V、Mn、Fe、Ni、Cu)单元的平均Bader电荷值;f)完全嵌钠状态下LE‑NVPF和ME‑NVPF中金属‑氧(M—O)键的ICOHP值;g)脱钠(Na1)状态下LE‑NVPF和ME‑NVPF中金属‑氧(M—O)键的ICOHP值(更负的ICOHP值对应更强的键合)。

【文章信息】

Title: Decoupling Configurational Entropy via Identical-Element Design: A Medium-Entropy Na3V1.3Fe0.35Mn0.15Ni0.15Cu0.05(PO4)2F3@C Cathode with Superior Kinetics and Cycling Stability,Author:Mingbo Shao#, Najun Liu#, Luoyuan Guo, Yuxin Wang, Huili Peng, Kan Mi, Xiue Zhang, Fangdong Hu, Xiaolei Jiang*Chemical Engineering Journal, 2026, 548, 181728.

【通讯作者】

姜晓蕾:临沂大学化学化工学院教授,硕士生导师,山东省高等学校青年创新团队负责人。主持国家自然科学基金1项,山东省高等学校“青创科技计划”1项,山东省自然科学基金2项,山东省教改项目2项。以第一/通讯作者在Advanced Science、Nano Energy、Chemical Engineering Journal等期刊上发表研究论文30余篇。

本文来自“材料科学与工程”公众号,感谢论文作者团队支持。

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