Exceptionally highly stable cycling performance and facile oxygen-redox of manganese-based cathode materials for rechargeable sodium batteries

材料科学 阴极 氧化还原 X射线光电子能谱 无机化学 化学工程 氧气 电化学 电极 冶金 化学 有机化学 工程类 物理化学
作者
Aishuak Konarov,Jae Hyeon Jo,Ji Ung Choi,Zhumabay Bakenov,Hitoshi Yashiro,Jongsoon Kim,Seung‐Taek Myung
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:59: 197-206 被引量:124
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.02.042
摘要

In this study, the effect of Zn doping on the electrochemical properties of P2-Na2/3[Mn1−xZnx]O2 (x = 0.0, 0.1, 0.2, 0.3) is investigated for the first time. The P2-Na2/3[Mn0.7Zn0.3]O2 electrode deliveres a specific discharge capacity of approximately 190 mAh g−1 based on the oxygen-redox reaction (O2−/O1−), after which the Mn4+/Mn3+ redox reaction contributes to the capacity. The cycling performance of the P2-Na2/3[Mn0.7Zn0.3]O2 electrode is also greatly enhanced compared with that of the P2-Na2/3MnO2 electrode (capacity retention of 80% vs. 30% after 200 cycles). This improved cyclability is due to the suppression of cooperative Jahn–Teller distortion as well as stabilization of the structure by the electrochemically inactive Zn2+ ions. First-principle calculations and experimental analysis, including X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray absorption near edge structure spectroscopy, clearly confirms that the Zn2+ substitution in P2-Na2/3MnO2 enables the O2−/O1− redox reaction. In addition, time-of-flight secondary ion mass spectroscopy analysis reveals that no sodium carbonates forms on the electrode surface. Our findings provide a potential new path to utilize cost-effective Mn-rich cathode materials for sodium-ion batteries via not only cationic redox but also anodic redox.
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