階層化されたチタン酸ナトリウムNa2Ti3O7の電気化学パフォーマンスに対する欠陥形成と曖昧な効果

ポイント欠陥は、アルカリイオン電池の電極材料として使用される層状遷移金属酸化物で容易に形成できますが、電極性能への影響はまだ不明です。この研究では、ナトリウムイオン電池の低電圧アノード材料であるチタン酸ナトリウムNa2Ti3O7の固有の点欠陥と欠陥錯体の体系的な第一原理研究を報告します。密度汎関数理論フレームワーク内で、安定したNa2Ti3O7化合物の合成条件を定義する原子化学電位のセットで欠陥形成エネルギーを計算します。原子化学物質の潜在的な景観と欠陥形成エネルギーを考えると、Na間物質（Nai+）、Na antisite（NATI3-）、およびNa空室（VNA-）が合成条件に応じて支配的な欠陥であることがわかります。さらに、我々の計算では、O空室（VO）およびTIアンチサイト（TINA）が完全なシステムと比較して電極電位を低くするのに対し、Ti空acce（VTI）とNATIは電圧を増加させることが明らかになりました。最後に、欠陥システムにおける空室を介したNA拡散の活性化障壁を評価し、内因性点欠陥がナイオン伝導を改善することを発見しました。私たちの結果は、欠陥の形成と電極の性能への影響についての深い理解を提供し、高性能アノード材料を設計する方法を開いています。

Point defects can be formed readily in layered transition metal oxides used as electrode materials for alkali-ion batteries but their influence on the electrode performance is yet obscure. In this work, we report a systematic first-principles study of intrinsic point defects and defect complexes in sodium titanate Na2Ti3O7, a low-voltage anode material for sodium-ion batteries. Within the density functional theory framework, we calculate the defect formation energies with a set of atomic chemical potentials, which define the synthesis conditions for the stable Na2Ti3O7 compound. Given the atomic chemical potential landscape and defect formation energies, we find that Na interstitials (Nai+), Na antisites (NaTi3-), and Na vacancies (VNa-) are dominant defects depending on the synthesis conditions. Furthermore, our calculations reveal that O vacancies (VO) and Ti antisites (TiNa) lower the electrode potential compared with the perfect system, whereas Ti vacancies (VTi) and NaTi increase the voltage. Finally, we evaluate the activation barriers for vacancy-mediated Na diffusion in the defective systems, finding that the intrinsic point defects improve the Na ion conduction. Our results provide a profound understanding of defect formation and influences on electrode performance, paving a way to designing high-performance anode materials.