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Anion Doping for Layered Oxides with a Solid-Solution Reaction for Potassium-Ion Battery Cathodes

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作者
Yan‐Song Xu,Mu‐Yao Qi,Qinghua Zhang,Fanqi Meng,Yong‐Ning Zhou,Sijie Guo,Yonggang Sun,Lin Gu,Baobao Chang,Chuntai Liu,Amin Cao,Li‐Jun Wan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (11): 13379-13387 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsami.2c00811
摘要

The development of potassium-ion batteries (PIBs) is challenged by the shortage of stable cathode materials capable of reversibly hosting the large-sized K+ (1.38 Å), which is prone to cause severe structural degradation and complex phase evolution during the potassiation/depotassiation process. Here, we identified that anionic doping of the layered oxides for PIBs is effective to combat their capacity fading at high voltage (>4.0 V). Taking P2-type K2/3Mn7/9Ni1/9Ti1/9O17/9F1/9 (KMNTOF) as an example, we showed that the partial substitution of O2- by F- enlarged the interlayer distance of the K2/3Mn7/9Ni1/9Ti1/9O2 (KMNTO), which becomes more favorable for fast K+ transition without violent structural destruction. Meanwhile, based on the experimental data and theoretical results, we identified that the introduction of F- anions effectively increased the redox-active Mn cationic concentration by lowering the average valence of the Mn element, accordingly providing more reversible capacity derived from the Mn3+/4+ redox couple, rather than oxygen redox. This anionic doping strategy enables the KMNTOF cathode to deliver a high reversible capacity of 132.5 mAh g-1 with 0.53 K+ reversible (de)intercalation in the structure. We expect that the discovery provides new insights into structural engineering for pursuing stable cathodes to facilitate the future applications of high-performance PIBs.
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