Ultra‐High‐Energy Density in Layered Sodium‐Ion Battery Cathodes through Balancing Lattice‐Oxygen Activity and Reversibility

氧气 材料科学 电化学 氧化还原 阴极 氧化物 离子 化学物理 电极 化学 物理化学 有机化学 冶金
作者
Hangyu Lu,Shiyong Chu,Jiaming Tian,Qi Wang,Chuanchao Sheng,Chen Cheng,Rixin Liu,Anita M. D’Angelo,Wei Kong Pang,Liang Zhang,Haoshen Zhou,Shaohua Guo
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (2) 被引量:52
标识
DOI:10.1002/adfm.202305470
摘要

Abstract Lattice‐oxygen redox in layered metal oxide cathodes offers a promising way to exploit high‐energy density sodium‐ion batteries. However, oxidation and reduction of lattice‐oxygen are always asymmetric, showing poor reversibility upon charging and discharging due to the activated oxygen loss and subsequent structural rearrangement. Here, a layered Na 0.7 [Li 0.2 Mn 0.7 Co 0.1 ]O 2 (NLMCO) is developed by balancing lattice‐oxygen activity and reversibility, which can deliver a record energy density of 729.7 Wh kg −1 , further exceeding the state‐of‐the‐art Na 0.75 [Li 0.25 Mn 0.75 ]O 2 (NLMO, 638.4 Wh kg −1 ). In light of electron paramagnetic resonance spectroscopy, in situ differential electrochemical mass spectroscopy, and electrochemical testing results, the highly activated lattice‐oxygen is effectively stabilized in NLMCO without oxygen molecule release while obvious oxygen release is detected in the highly activated NLMO. Benefiting from the enhanced transition metal‐oxygen covalency and reduced band energy gap, the NLMCO electrode demonstrates simultaneously high lattice‐oxygen activity and reversibility, thus resulting in excellent rate and cycling performance, as well as ultra‐high energy density. The findings highlight the critical association of energy density and lattice‐oxygen redox reversibility, which will inspire more interest in anionic redox‐based high‐energy batteries.
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