Sodium Ion Diffusion in Al2O3: A Distinct Perspective Compared with Lithium Ion Diffusion

扩散 热扩散率 离子 锂(药物) 离子键合 离子半径 化学物理 材料科学 涂层 化学 从头算 热力学 纳米技术 医学 物理 有机化学 内分泌学
作者
Sung Chul Jung,Hyung‐Jin Kim,Jang Wook Choi,Young‐Kyu Han
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:14 (11): 6559-6563 被引量:97
标识
DOI:10.1021/nl503169v
摘要

Surface coating of active materials has been one of the most effective strategies to mitigate undesirable side reactions and thereby improve the overall battery performance. In this direction, aluminum oxide (Al2O3) is one of the most widely adopted coating materials due to its easy synthesis and low material cost. Nevertheless, the effect of Al2O3 coating on carrier ion diffusion has been investigated mainly for Li ion batteries, and the corresponding understanding for emerging Na ion batteries is currently missing. Using ab initio molecular dynamics calculations, herein, we first find that, unlike lithiation, sodiation of Al2O3 is thermodynamically unfavorable. Nonetheless, there can still exist a threshold in the Na ion content in Al2O3 before further diffusion into the adjacent active material, delivering a new insight that both thermodynamics and kinetics should be taken into account to describe ionic diffusion in any material media. Furthermore, Na ion diffusivity in NaxAl2O3 turns out to be much higher than Li ion diffusivity in LixAl2O3, a result opposite to the conventional stereotype based on the atomic radius consideration. While hopping between the O-rich trapping sites via an Na-O bond breaking/making process is identified as the main Na ion diffusion mechanism, the weaker Na-O bond strength than the Li-O counterpart turns out to be the origin of the superior diffusivity of Na ions.

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