Elektrochemie von Selen mit Natrium und Lithium: Kinetik und Reaktionsmechanismus

Es gibt wirtschaftliche und umweltfreundliche Vorteile, wenn Li durch Na in der Energiespeicherung ersetzt wird. Dennoch sind die langsame Lade-/Entlade-Reaktion und die geringe Kapazität wesentliche Hindernisse für die Entwicklung von Hochleistungs-Natrium-Ionen-Batterien. Unter den Elektrodenmaterialien, die kürzlich für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt wurden, zeigt Selen aufgrund seiner hohen Kapazität und guten Zyklierfähigkeit vielversprechende Eigenschaften. Hier haben wir den Mechanismus und die Kinetik sowohl der Natriumation als auch der Lithiumation von Selen-Nanoröhren untersucht, unter Verwendung von in situ Transmissionselektronenmikroskopie. Die Natriumation einer Selen-Nanoröhre zeigt einen dreistufigen Reaktionsmechanismus: (1) der einzelne Selenkristall wandelt sich in eine amorphe Phase Na0.5Se um; (2) die amorphe Phase Na0.5Se kristallisiert zu einer polykristallinen Na2Se2-Phase; und (3) Na2Se2 wandelt sich in die Na2Se-Phase um. Unter ähnlichen Bedingungen zeigt die Lithiumation von Se einen einstufigen Reaktionsmechanismus, mit einem Phasenübergang von einkristallinem Se zu Li2Se. Interessanterweise ist die Kinetik der Natriumation im Allgemeinen etwa 4-5 Mal schneller als die der Lithiumation, und die Kinetik während der verschiedenen Phasen der Natriumation ist unterschiedlich. Na-basierte Zwischenphasen weisen im Vergleich zu Li-Verbindungen verbesserte elektronische und ionische Leitfähigkeiten auf, wie durch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie erster Prinzipien festgestellt wurde.