Application of Layered High Entropy Oxides as Cathode Materials for Li/Na-ion Batteries

With the increasing fossil energy consumptions and environmental concerns, new sustainable energy sources and new energy storage fields are playing increasingly important roles in modern society. A series of energy storage devices such as lithium-ion batteries (LIBs) and sodium-ion batteries (SIBs) have received global attentions from researchers and urgent demands for social developments. In LIBs/SIBs, the cathode material as the main component is critical factor affecting the property of full cells presently. As one of the earliest systems, layered oxide cathode materials have good commercial prospects until to now, therefore, a lot of strategies, such as new materials developing, elemental doping and surface coating, etc., have been explored to improve the electrochemical performance of them. To develop novel electrode materials and inspired by the design concept of high entropy alloys (HEAs), high entropy oxides (HEOs) as a new class of material were developed in recent years and studied as an anode material for LIBs starting in 2018. It shows unexpected reversibility compared to other non-high entropy compositions due to the unique entropy stability property. Subsequently, increasing number of researches have been reported on the use of high entropy materials in energy storage devices. The virtually infinite variety of multi-elemental compositions for a single-phase structure allows the tailoring of their physical properties and enables unprecedented materials design. A series of HEOs were prepared by nebulized spray pyrolysis (NSP) and solid-state reaction in this work. In order to explore the use of HEOs in LIBs/SIBs, the terms of materials design, synthesis method, crystal structure evolutions accompanied with charge compensation and electrochemical performance of HEOs are studied. The transfer of the high entropy concept to electrode materials may provide new strategies and technologies for material design and the preparation of novel compounds with unprecedented properties. Based on these results, it can be expected that the high entropy strategy can open new insights into electronic and structural chemistry for advanced electrode materials.

Angesichts des steigenden Verbrauchs fossiler Brennstoffe und der damit verbundenen Umweltprobleme spielen neue nachhaltige Energiequellen und neue Energiespeicher eine immer wichtigere Rolle in der modernen Gesellschaft. Eine Reihe von Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) haben die Aufmerksamkeit von Forschern weltweit auf sich gezogen und werden für gesellschaftliche Entwicklungen dringend benötigt. Bei LIBs/SIBs ist das Kathodenmaterial als Hauptbestandteil ein entscheidender Faktor, der die Eigenschaften der Zellen beeinflusst. Als eines der ersten Systeme haben geschichtete Oxidkathodenmaterialien bisher gute kommerzielle Aussichten, so dass viele Strategien wie die Entwicklung neuer Materialien, Elementdotierung und Oberflächenbeschichtung usw. erforscht wurden, um ihre elektrochemische Leistung immer weiter zu verbessern. Um neuartige Elektrodenmaterialien zu entwickeln, wurden in den letzten Jahren, inspiriert durch das Designkonzept von Hochentropie-Legierungen (HEAs), Hochentropie-Oxide (HEOs) als neue Materialklasse entwickelt und ab 2018 als Anodenmaterialien für LIBs untersucht. Aufgrund ihrer einzigartigen Entropiestabilität und den interelementaren Wechselwirkungen weisen sie eine unerwartete Reversibilität im Vergleich zu anderen, nicht hochentropischen Zusammensetzungen auf. In der Folge wurde eine zunehmende Zahl von Forschungsarbeiten über die Verwendung von Materialien mit hoher Entropie in Energiespeichern veröffentlicht. Die praktisch unendliche Vielfalt an multielementaren Zusammensetzungen für eine einphasige Struktur ermöglicht eine maßgeschneiderte Anpassung ihrer physikalischen Eigenschaften und ein noch nie dagewesenes Materialdesign. In dieser Arbeit wurde eine Reihe von HEOs durch Sprühpyrolyse (NSP) und Festkörperreaktion hergestellt. Um die Verwendung von HEOs in LIBs/SIBs zu erforschen, werden die Bedingungen für das Materialdesign, die Synthesemethode, die Entwicklung der Kristallstruktur im Zusammenhang mit dem Ladungsausgleich und die elektrochemische Leistung von HEOs untersucht. Die Übertragung des Hochentropiekonzepts auf Elektrodenmaterialien kann neue Strategien und Technologien für das Materialdesign und die Herstellung neuartiger Verbindungen mit noch nie dagewesenen Eigenschaften liefern. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird erwartet, dass diese Strategie neue Einblicke in die elektronische und strukturelle Chemie für fortschrittliche Elektrodenmaterialien eröffnen kann.