高エントロピー酸化物リチウムイオンバッテリーアノードにおける陽イオンの相乗効果

化学的に障害のあるマルチカチオン構造を備えた高エントロピー酸化物（HEO）は、バッテリーアプリケーションの陰性電極材料として集中的な関心を集めています。優れた電気化学パフォーマンスは、高エントロピーの安定化といわゆる「カクテル効果」に起因しています。ただし、室温での熱力学的にのみメタステュアブルであるHEOの構成エントロピーは、変換型のバッテリー反応中に構造的可逆性を促進するには不十分であり、「カクテル効果」はこれまで説明されていません。この作業は、電気化学反応中にアトミックとナノスケールでHEO MG0.2CO0.2NI0.2CU0.2ZN0.2Oの多カ化の相乗効果を明らかにし、「カクテル効果」を説明します。電子化学的に不活性の3次元金属ナノネットワークを形成する電子輸送を可能にする電気化学的に不活性な3次元の金属ナノネットワークを形成します。電気化学的不活性陽イオンは、酸化物ナノフェーゼを安定化します。これは、金属相で半共有性があり、Li+イオンを収容します。この自己組織化されたナノ構造により、マイクロンサイズの粒子の安定したサイクリングが可能になり、バッテリーアプリケーションでの従来の金属酸化物に必要なナノスケールの事前調整の必要性が回避されます。これは、元素の多様性がマルチカチオン電極材料を最適化するための鍵であることを示しています。

High entropy oxides (HEOs) with chemically disordered multi-cation structure attract intensive interest as negative electrode materials for battery applications. The outstanding electrochemical performance has been attributed to the high-entropy stabilization and the so-called 'cocktail effect'. However, the configurational entropy of the HEO, which is thermodynamically only metastable at room-temperature, is insufficient to drive the structural reversibility during conversion-type battery reaction, and the 'cocktail effect' has not been explained thus far. This work unveils the multi-cations synergy of the HEO Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2O at atomic and nanoscale during electrochemical reaction and explains the 'cocktail effect'. The more electronegative elements form an electrochemically inert 3-dimensional metallic nano-network enabling electron transport. The electrochemical inactive cation stabilizes an oxide nanophase, which is semi-coherent with the metallic phase and accommodates Li+ ions. This self-assembled nanostructure enables stable cycling of micron-sized particles, which bypasses the need for nanoscale pre-modification required for conventional metal oxides in battery applications. This demonstrates elemental diversity is the key for optimizing multi-cation electrode materials.