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First-Principle Insight of Synergistic Modification Mechanism in P2-Type Layered Oxide Cathode Material with Anionic Redox Activity for Sodium-Ion Batteries

氧化还原 氧化物 离子 表面改性 无机化学 阴极 化学 机制(生物学) 材料科学 有机化学 物理化学 哲学 认识论
作者
Hsu‐Chen Cheng,Han‐Yi Chen,Hsin‐Yi Tiffany Chen
出处
期刊:Meeting abstracts 卷期号:MA2024-01 (45): 2556-2556
标识
DOI:10.1149/ma2024-01452556mtgabs
摘要

Layered oxides exhibiting anionic redox activity have gained attention as a promising material in both Na-ion batteries owing to their additional capacity provided through oxygen redox chemistry. However, unfavorable side effects such as irreversible phase transformation, hysteresis, and gas evolution, usually arise during the stabilization process of the unstable electron holes generated by the redox reaction of oxygen. To address these challenges, we co-dope Cu and Ca in the pristine Na x [Mg 0.28 Mn 0.72 ]O 2 (NMMO) and propose the P2-type Na x Ca 0.03 Mg 0.22 Cu 0.11 Mn 0.67 O 2 (NCaMCMO) Na-deficient cathode material which demonstrates high specific capacity with minimal phase change. In this work, we employed the density functional theory (DFT) calculations to investigate the underlying mechanisms of the synergistic modification strategy in both transition metal and alkali metal layers. The substitution of electrochemically active Cu induced variations in the electronic structure near the Fermi level, indicating an inherent change in redox chemistry. The computational results of the local structure provide a deeper understanding of the oxygen-stabilizing effect of Cu. Furthermore, we analyze the nature of the Ca insertion as a pillar in an alkali-metal layer, which mitigates phase transformation to the kinetically unfavorable O2 phase through phase energy comparison. The calculations manifest that Ca doping effectively extends the P2 phase into a deeper charging state. This work elucidates fundamental mechanisms for enhancing cathode materials in future battery design.

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