团队在高熵尖晶石氧化物负极材料研究中取得新突破

随着清洁能源的快速发展，钠离子电池（SIBs）因其钠资源丰富、成本低廉等优势，成为下一代储能技术的重要候选者。然而，开发高容量、长循环寿命的负极材料仍是钠离子电池实用化的关键挑战之一。近年来，高熵氧化物（HEOs）作为一种新型负极材料，因其多元素协同效应和高理论比容量而备受关注。然而，不同过渡金属元素对高熵氧化物的结构和电化学性能的影响尚未得到系统研究。为此，本研究通过引入锰元素，设计并制备了具有零应变特性的高熵尖晶石氧化物(FeNiCuCrMn)₃O₄@rGO复合材料，旨在提升钠离子电池的循环稳定性和电化学性能。

近日，本团队教师肖彬在Chemical Engineering Journal上发表了题为Zero-strain high entropy spinel oxide (FeNiCuCrMn)₃O₄@rGO as high-performance anode for sodium ion battery的研究论文。该研究通过水热法制备了(FeNiCuCrMn)₃O₄@rGO复合材料，并系统研究了其作为钠离子电池负极材料的电化学性能。研究结果表明，锰元素的引入显著提高了材料的表面氧空位浓度，缩短了带隙，并增强了材料的电化学性能。XPS结果显示，(FeNiCuCrMn)₃O₄@rGO具有最高的表面氧空位浓度（49%）。通过原位X射线衍射和同步辐射X射线吸收光谱，揭示了该材料在充放电过程中表现出零应变特性，晶胞体积变化仅为0.2%。得益于其优异的电化学性能，(FeNiCuCrMn)₃O₄@rGO在500 mA g^-1的电流密度下经过3000次循环后，容量保持率高达84%。该研究为高熵氧化物在钠离子电池中的应用提供了新的思路。

Fig. 1 XRD results and morphology of HEO@rGO、HEO-Cu@rGO and HEO-Mg@rGO

Fig. 2 XPS spectra of HEO@rGO、HEO-Cu@rGO and HEO-Mg@rGO

Fig. 3 Electrochemical performances of HEO@rGO、HEO-Cu@rGO and HEO-Mg@rGO

Fig. 4 The stability of morphology and elemental distribution of HEO@rGO during discharge/charge process.

Fig. 5 Structural and chemical state evolution of HEO@rGO during discharge/charge process.

Fig. 6 The calculated crystal structures, band structures, and TDOS by DFT method  

本研究通过引入锰元素，成功制备了具有高氧空位浓度和零应变特性的(FeNiCuCrMn)₃O₄@rGO复合材料。该材料作为钠离子电池负极，表现出优异的循环稳定性和电化学性能，在500 mA g⁻¹的电流密度下经过3000次循环后，容量保持率高达84%。通过原位X射线衍射和同步辐射X射线吸收光谱，结合密度泛函理论计算结果，揭示了该材料的零应变特性和钠离子存储机制。该研究为高熵氧化物在钠离子电池中的应用提供了新的理论依据和实验支持。

文献信息：Chemical Engineering Journal, 2025, 503, 158269.

第一作者：肖彬

通讯作者：隋艳伟

第一单位：中国矿业大学