In-situ X-ray studies of high-entropy layered oxide cathode for sodium-ion batteries

法拉第效率 材料科学 阴极 离子 电化学 氧化物 化学工程 同步加速器 分析化学(期刊) 电极 光学 物理化学 冶金 有机化学 工程类 物理 化学
作者
Chia‐Ching Lin,Hao-Yu Liu,Jinwei Kang,Chun‐Chi Yang,Chih-Heng Li,Hsin‐Yi Tiffany Chen,Shao‐Chu Huang,Chung‐Sheng Ni,Yu‐Chun Chuang,Bo‐Hao Chen,Chung‐Kai Chang,Han‐Yi Chen
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:51: 159-171 被引量:97
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.06.035
摘要

High-entropy oxides (HEOs) are promising electrode materials for sodium-ion batteries (SIBs) owing to their remarkable electrochemical properties and excellent cycling stability. A high-entropy O3-type layer-structured NaCu0.1Ni0.3Fe0.2Mn0.2Ti0.2O2 (NCNFMT) was synthesized using the Pechini method, as a new cathode material for SIBs. Herein, density functional theory calculations were used to understand the formation energy of NCNMFT, proving its synthesizability. Battery testing revealed a reversible capacity of 130 mAh g−1, with a capacity retention of up to 87% after 100 cycles at 0.1C, and excellent long-term cycling stability (approximately 71% after 500 cycles at 0.5C). The prepared material also exhibited an outstanding Coulombic efficiency of 98% and a high energy efficiency of 95%. Furthermore, the high entropy effect was investigated using energy dispersive spectroscopy and X-ray absorption fine structure to prove that the material contains a single phase with well-distributed metal ions. The operando synchrotron X-ray diffraction demonstrated that the phase transition was delayed until the extraction of 0.32 sodium ion from NCNFMT, which indicates the stabilization of the O3-phase induced by the high entropy effect. Furthermore, the quasi-solid-state NCNFMT||polyethylene oxide-Na3.2Ca0.1Zr1.9Si2PO12||Na cells exhibited excellent performance with a high discharge capacity of 112 mAh g−1 and retention of 78% after 100 cycles. The above results demonstrate the advantages of HEOs as potential cathode materials for SIBs.
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