کاتدهای انتروپی بالا با اعوجاج در اثر افزودن کاتیون با ساختار نمک برای باطری های لیتیوم-یونی
Cation-disordered rocksalt-type high-entropy cathodes for Li-ion batteries
مواد انتروپی بالا، به عنوان یک مفهوم نوظهور در زمینه آلیاژهای فلزی، چندین عنصر اصلی را ترکیب می کنند تا مواد تک-فاز جدیدی را بسازند. در چند سال اخیر، رویکرد انتروپی بالا در زمینه های مختلفی به کار رفته است که شامل ترموالکتریک، کاتالیست، رسانایی سوپریونی، و ذخیره سازی انرژی می شود. این باور وجود دارد که انتروپی چینشی بالا می تواند انحلال پذیری همزمان چندین جزء را بهبود دهد، که در نهایت می تواند برای بهبود خواص نهایی به کار رود. در مطالعات اخیر در زمینه ساختار ترکیب های انتروپی بالا در مقیاس اتمی، توزیع یکنواخت فلزات واسطه مختلف مشاهده شده است که نشان می دهد از طریق میکس کردن با تعداد زیادی فلز واسطه، می توان از نظم کم دامنه کاتیونی جلوگیری کرد.
مفهوم انتروپی بالا در مواد الکترود باطری های لیتیوم-یونی، اگر به صورت موفق اجرا شود، می تواند بسیار جذاب باشد چون امکان بهینه سازی همزمان خواص چندگانه را فراهم می کند. علاوه بر آن، انعطاف پذیری ترکیبی نیز می تواند اتکای صنعت به برخی از منابع فلزی حیاتی را کاهش داد.
ساختار Rocksalt (یا ساختار NaCl-مانند) یکی از عمده ترین کریستال هایی است که در بسیاری از ترکیبات غیرآلی مانند NaCl یا KCl یافته می شود. در این ساختارها، آنیون های سایت های 4b را اشغال می کنند تا ترتیب ABCABC در شبکه های FCC ایجاد شود. کاتیون ها مکان های 4a را در نیمی از جاهای خالی اکتاهدرال اشغال می کنند. سپس تحقیقات نشان داد، زمانی که مقدار بیشتری لیتیوم وجود داشته باشد و کاتیون اضافی موجب اعوجاج ساختار نمکی شود، ترکیبات DRX حاصل می توانند ظرفیت بیشتری داشته باشند و عملکرد بسیار خوبی به عنوان الکترود باطری ها نشان دهند. ساختارهای نمک-مانند که از طریق کاتیون اضافی دچار اعوجاج شده اند (DRX)، گزینه ایده آلی برای طراحی مواد انتروپی بالا هستند. از طریق مقایسه گروهی از کاتدهای DRX دارای دو، چهار، یا شش فلز واسطه، مشخص شد زمانی که تعداد بیشتری فلز واسطه ترکیب می شوند، با این وجود که میزان کلی فلز ثابت باقی می ماند، نظم کم دامنه در این ساختارها به صورت سیستماتیک کاهش می یابد، اما تراکم انرژی و نرخ افزایش می یابند. کاتد DRX با شش فلز واسطه در نرخ بسیار پایین، به 955 وات-ساعت در کیلوگرم رسید و در نرخ بالا نیز عملکرد خوبی داشته است. به منظور تسهیل طراحی ساختارهای DRX با انتروپی بالا، این مقاله تحلیل سازگاری 23 یون متفاوت فلز واسطه را ارائه کرده است و به عنوان تایید این استراتژی، یک ترکیب DRX انتروپی بالای تک-فاز دارای 12 فلز واسطه را سنتز کرده اند. این مقالۀ فوق العاده در مجله Nature Materials منتشر شده است.
