高熵掺杂：提升快速充电电池性能的新策略

来自 实验室仪器网

研究人员将高熵掺杂（HED）应用于五氧化二铌（Nb₂O₅）电极。通过在Nb₂O₅中混合元素，他们旨在创造出能够在不影响结构完整性的情况下快速充电的材料。发表在《自然通讯》上。

掺杂是指有意将杂质添加到材料中，是定制材料特性的常用方法。它广泛用于半导体、合金和发光材料，以增强导电性、强度或光学行为。

然而，Nb₂O₅由于其复杂的相行为和高价阳离子而带来了挑战。这些特性使得形成稳定的固溶体变得困难。传统的掺杂方法通常会产生不需要的杂质相或触发相变，从而限制了Nb₂O₅电化学性能的改进。这阻碍了它在快速充电电池中的使用。

探索Nb₂O₅中的高熵掺杂

为了应对这些挑战，研究人员转向HED。他们没有使用几种特定的掺杂剂，而是同时引入了许多不同的元素。这个概念基于这样一种理念，即系统复杂性的增加会导致新的行为，例如相位稳定和对称性破坏。这与“越多越不同”原则等理论一致。

选择Nb₂O₅作为模型，因为它难以有效掺杂。研究人员创造了多达20种等比例金属元素的掺杂溶液。他们排除了放射性、珍贵或化学上与铌相似的元素，以最大限度地提高离子大小和化合价的多样性。他们改变了掺杂剂的数量和浓度（1-3mol%），以研究这些因素如何影响材料的相行为。

合成包括将草酸铌与掺杂剂溶解，蒸发溶剂，并在空气或惰性气氛中在高温（高达1050°C）下对所得材料进行退火。然后，该团队使用多种技术分析了这些材料，包括X射线衍射（XRD）、扫描和透射电子显微镜（SEM、TEM）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）。

相位稳定和性能改进

用3mol%的15种不同元素掺杂Nb₂O₅可以防止在高温下向稳定的H相转变。相反，该材料稳定在类似于亚稳态M相的结构中。这种效应（称为“HED效应”）改变了正常的相变路径，有利于支持更好的锂离子运动的结构。

绘制掺杂剂的数量和浓度图揭示了一个特定的“HED区域”。在这个范围内，材料形成了一个几乎纯的高熵相，杂质很少。添加更多的掺杂剂在一定程度上可以提高相纯度，但过于复杂会导致杂质再次形成。这表明实现HED效果的最佳掺杂剂范围。

光谱学表明，与传统相相比，HED-Nb₂O₅具有不同的局部键合。它具有强Nb=O键和复杂的氧空位排列。EPR证实存在多种类型的氧空位和较高的总体空位浓度，表明结构更加复杂。

电化学测试表明，HED-Nb₂O₅作为电池负极具有优异的性能。它在1Ag⁻¹时保持233.9mAhg⁻¹的容量，并且仍然以40Ag⁻¹的超快速率提供88.9mAhg⁻¹。与未掺杂的Nb₂O₅相比，它表现出更好的倍率能力和长期循环稳定性。在5Ag⁻¹下循环2,000次后，它保留了85%的原始容量，库仑效率接近100%。

这些改进归因于更快的锂扩散和更小、更均匀的颗粒，从而缩短了扩散路径。原位XRD显示，虽然一般的相演变仍然相似，但霍尔效应器件改善了高倍率条件下的动力学。

储能和材料设计应用

这种方法提供了一种实用的方法来增强难以掺杂的材料。霍尔效应（HED）专注于掺杂剂的种类和数量，而不是特定的化学性质，它使用构型熵来稳定所需的相并提高性能。

该技术不仅可以使锂离子电池受益，还可以使半导体、发光化合物和拓扑材料等其他功能性材料受益。这些场可能同样受益于熵驱动的相位稳定和新功能。

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