Med den ständiga förbättringen av elektronik, utvecklingen av högenergiaggregat har blivit en nyckelled i den framtida utvecklingen av vetenskap och teknik. Dock, Bristen på litiumresurser och svårigheten att återvinna har blivit viktiga faktorer för att begränsa deras utveckling.

Icke-litiumbaserade uppladdningsbara batterier med en outtömlig tillgång på råvaror, såsom natriumjonbatterier (SIB), har väckt stor uppmärksamhet de senaste åren. Som den kritiska bestämningsfaktorn för energiproduktionen från SIB, utvecklingen av katoder har gjort spännande framsteg, inklusive skiktade material, polyanjoner och preussiska blåanaloger (PBA), etc.

Bland dessa katoder, Mn-baserade preussiska blåanaloger (Mn-Fe PBA, Na ₂ Mn[Fe(CN) ₆ ]) representerar ett av de mest lovande katodmaterialen för SIB på grund av deras högre teoretiska kapacitet och adaptiva volymvariation. Dock, Mn-Fe PBA lider av dålig cyklisk reversibilitet och kapacitetsbevarande under fasövergången från kubisk till tetragonal fas, vilket är relaterat till den stora strukturella deformationen av Mn-N ₆ oktaedrar orsakade av Jahn-Teller distorsion.

Tidigare ansträngningar för att undertrycka den stora strukturella deformationen fokuserade huvudsakligen på optimerad fasstruktur eller partiell atomär ersättning, men dessa metoder kunde inte upprätthålla en stabil cykel samtidigt som de bibehöll en hög kapacitet, som är nödvändig för den praktiska användningen av batterier.

I studien som publicerades i Chem , forskarna har utvecklat en kontrollerbar strategi för att skapa okonventionella katjon-Mn-vakanser (VMn) på Mn-Fe PBA:er genom att använda ett starkt kelatbildande medel, etylendiaminet etraättiksyradinatrium (Na ₂ EDTA). VMn i Mn-Fe PBA:er skulle kunna begränsa rörelsen av Mn-N-obligationer och därigenom mildra Jahn-Teller-förvrängningen av Mn-N ₆ oktaedrar, vilket leder till mycket reversibla fasövergångar av NMF samt en enastående långsiktig cykelstabilitet och kapacitetsbevarande (se bild).

På grund av den starka kelatbildande effekten av EDTA ₂ ^- , Mn ₂ ⁺ och EDTA ₂ ^- kelaterad för att bilda en mycket stabil sex-koordinat oktaeder som inte bara kraftigt saktar ner frisättningshastigheten av Mn ₂ ⁺ såväl som bildandet av EDTA-NMF, men tar också bort Mn-atomerna från kristallgittret. När reaktionen fortskrider, den starka koordinationen av Na ₂ EDTA skulle fortsätta att etsa NMF och skapa mer VMn på ytan.

VMn i Mn-Fe PBA kan fungera som den första barriären för att förhindra strukturella skador under battericykling. Som ett resultat, Mn-Fe PBA:erna uppvisade en enastående långtidscykelstabilitet och kapacitetsbevarande för båda halvceller (72,3 % efter 2700 cykler vid 0,5 Ag ^-1 ) och fullcell (75,5 % efter 550 cykler vid 0,1 Ag ^-1 ).

"Med tanke på den lättsamma syntesen och den stora mångfalden av PBA, detta arbete främjar inte bara kreativa syntetiska metoder för kontrollerbara defekter eller vakansteknik, men öppnar också obegränsade möjligheter att utforska förhållandet mellan struktur, vakanser och elektrokemiska prestationer i material utöver PBA, " sa huvudförfattare docent Yang Hui Ying från SUTD.