Novel Stress‐Evolution Model for NaNi 1/3 Fe 1/3 Mn 1/3 O 2 Cathodes: Determining Localized Accumulation and Diffusive Transfer Based on Tension‐Compression Asymmetry

材料科学 晶间腐蚀 压力(语言学) 工作(物理) 阴极 不对称 断裂(地质) 粒子(生态学) 兴奋剂 复合材料 晶间断裂 应力-应变曲线 冶金 自行车 拉伤 有限元法 机制(生物学) 化学物理 热力学 应力集中 电极
作者
Lingfeng Shi,Fanbo Wu,Ziwei Liu,Yehang Dou,Ke Li,Mengjie Zhang,Yongsheng Pan,Yulin Ma,Geping Yin,Shuaifeng Lou,Hua Huo
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (83)
标识
DOI:10.1002/adfm.78231
摘要

ABSTRACT O3‐NaNi 1/3 Fe 1/3 Mn 1/3 O 2 (NFM) is a promising high‐energy‐density cathode for sodium‐ion batteries. However, the long‐term cycling performance is hindered by particle fracture caused by non‐uniform stress distribution. The mechanisms of non‐mechanical stress accumulation in intergranular and intragranular regions, as well as the long‐range transfer of stress interactions, remain unclear. Herein, we used DFT calculations and mechanical parameter analyses at the unit‐cell scale to identify SOC‐dependent “tension‐compression asymmetry” (Δ E SOC ) as a key descriptor. Correlation analysis reveals that Δ E SOC governs the continuity of intragranular strain and the magnitude of intergranular strain, enabling precise mapping of local stress accumulation. We developed a stress‐transfer model to describe directional stress propagation, demonstrating that cumulative stress is the product‐sum of Δ E SOC values along the transfer path. This model elucidates how intragranular stress drives microcrack formation. Guided by these insights, we employed Ca 2+ doping to regulate Δ E SOC , effectively reducing stress accumulation and enhancing cycling stability. After 1000 cycles at 1C, the Ca‐doped NFM retained 62.1% of the initial capacity, significantly outperforming the pristine NFM (18.3%). This work unifies localized stress accumulation and diffusive transfer mechanisms, providing a deeper understanding of stress‐induced failure in layered cathodes.
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