de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Wuhan University of Technology in Zusammenarbeit mit der Xi'an Jiaotong University hat durch die Steuerung der Kornform von Schichtoxid-Kathoden das Problem der Kornrisse bei Natrium-Ionen-Batterien während des Lade- und Entladevorgangs reduziert. Die Studie verwendete P2-Na0.75Ni0.25Mn0.75O2 als Untersuchungsobjekt und stellte durch Verkürzung der c-Achsen-Abmessung dünnere prismatische Körner her, wodurch die Gitterdehnung effizienter abgebaut und die Spannungskonzentration verringert wurde. Die optimierte Kathode erreichte nach 300 Zyklen bei 5 C eine Kapazitätserhaltung von 96,7 %, was einen mikrostrukturellen Designweg zur Verbesserung der Zyklenlebensdauer von Natrium-Ionen-Batterien aufzeigt.
Natrium-Ionen-Batterien werden aufgrund der reichhaltigen und weit verbreiteten Natriumressourcen sowie ihrer Kompatibilität mit kostengünstigen Batteriechemiesystemen zunehmend in großtechnischen Energiespeicherszenarien eingesetzt. Schichtförmige Übergangsmetalloxide als Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien bieten hohe Kapazität und gute Skalierbarkeit, jedoch ist ihre mechanische Stabilität eine Schwachstelle. Bei wiederholter Ein- und Auslagerung von Natriumionen kommt es zu ungleichmäßiger Ausdehnung und Kontraktion des Kristallgitters entlang der c-Achse, wodurch Spannungen im Korninneren konzentriert werden und Risse entstehen. Neu exponierte Oberflächen kommen mit dem Elektrolyten in Kontakt, was Nebenreaktionen und Kapazitätsabfall beschleunigt. Daher ist die Spannungsfreisetzung auf mikrostruktureller Ebene ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Kathodenstabilität.
Diese Studie wurde von der Wuhan University of Technology (Wuhan University of Technology) geleitet und in Zusammenarbeit mit der Xi'an Jiaotong University (Xi'an Jiaotong University) durchgeführt. Sie wurde am 20. Mai 2026 online in der Zeitschrift eScience Energy veröffentlicht. Die Forschung konzentrierte sich auf den Einfluss der c-Achsen-Abmessungssteuerung auf die Spannungsentwicklung der schichtförmigen P2-Na0.75Ni0.25Mn0.75O2-Kathode. Die Ergebnisse zeigen, dass dünnere Körner die Dehnungsakkumulation reduzieren, die Spannungsdissipation verbessern, innere Risse unterdrücken und die Zyklenstabilität der Batterie verlängern können.
Das Forschungsteam stellte morphologisch kontrollierte NaNMO-Proben (MT-NaNMO) und chemisch identische Vergleichsproben (C-NaNMO) her, um die Rolle der Korngeometrie isoliert zu untersuchen. Röntgenbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) bestätigten, dass beide Materialien die P2-Schichtstruktur beibehalten. MT-NaNMO bildete prismatische Primärkörner mit einer Dicke von etwa 200 nm entlang der c-Achse, während die Körner von C-NaNMO etwa 800 nm betrugen. In-situ-XRD zeigte, dass beide Proben während des Lade- und Entladevorgangs ähnliche Änderungen der Gitterskala aufwiesen; der entscheidende Unterschied lag in der Art der Spannungsakkumulation. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) in Kombination mit geometrischer Phasenanalyse (GPA) zeigte, dass MT-NaNMO stabile Gitterstreifen und ein gleichmäßiges Dehnungsfeld aufweist, während C-NaNMO Gitterverzerrungen und lokale Dehnungen aufweist. Finite-Elemente-Analyse (FEA) zeigte weiterhin, dass eine Verringerung der c-Achsen-Abmessung zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung führt. Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Zyklentests zeigten, dass MT-NaNMO einen schnelleren Natriumionentransport, geringeren Widerstand und bessere Langzeitstabilität aufweist.
Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass diese Arbeit einen Ansatz bietet, der Batterieversagen berücksichtigt, bevor sichtbare Schäden auftreten. Schichtoxide erzeugen während der Natriumspeicherung wiederholte „Atembewegungen"; dickere Körner führen zu kontinuierlicher Dehnungsakkumulation bis zur Rissbildung, während durch die Verkürzung der Richtung mit der höchsten Spannungskonzentration das Material Spannungen früher und gleichmäßiger freisetzen kann. Dieses Prinzip kann über die Zusammensetzungssteuerung hinaus eine mechanische Referenz für das Kathodendesign bieten und zum Aufbau langzeitzyklusstabiler Natrium-Ionen-Batterien beitragen.
Die Forschungsergebnisse haben praktische Bedeutung für zukünftige Energiespeichersysteme. Eine bloße Verringerung der Gesamtpartikelgröße kann die Spannungsfreisetzung verbessern, könnte jedoch Oberflächennebenreaktionen erhöhen und die Klopfdichte verringern; die c-Achsen-Steuerung konzentriert sich dagegen auf die Richtung, die am stärksten mit Zugspannung und innerer Kornrissbildung zusammenhängt. Die optimierte MT-NaNMO-Kathode erreichte in einer Vollzelle mit einer Hartkohlenstoff-Anode (HC) eine Energiedichte von etwa 218,3 Wh kg−1 und eine Kapazitätserhaltung von 92,6 % nach 300 Zyklen bei 2 C. Diese gezielte mikrostrukturelle Strategie kann zuverlässigere und kostengünstigere Natrium-Ionen-Batterien für die Speicherung erneuerbarer Energien und netzgekoppelte Anwendungen ermöglichen.
