Boron-doped high-entropy oxide toward high-rate and long-cycle layered cathodes for wide-temperature sodium-ion batteries

兴奋剂 材料科学 离子 氧化物 化学工程 阴极 纳米技术 化学 光电子学 物理化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Yuzhen Dang,Zhe Xu,Yurong Wu,Runguo Zheng,Zhiyuan Wang,Xiaopin Lin,Yanguo Liu,Zhengyao Li,Kai Sun,Dongfeng Chen,Dan Wang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:95: 577-587 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.03.055
摘要

O3-type layered metal oxides hold great promise for sodium-ion batteries cathodes owing to their energy density advantage. However, the severe irreversible phase transition and sluggish Na+ diffusion kinetics pose significant challenges to achieve high-performance layered cathodes. Herein, a boron-doped O3-type high entropy oxide Na(Fe0.2Co0.15Cu0.05Ni0.2Mn0.2Ti0.2)B0.02O2 (NFCCNMT-B0.02) is designed and the covalent B-O bonds with high entropy configuration ensures a robust layered structure. The obtained cathode NFCCNMT-B0.02 exhibits impressive cycling performance (capacity retention of 95% and 82% after 100 cycles and 300 cycles at 1 C and 10 C, respectively) and outstanding rate capability (capacity of 83 mAh g−1 at 10 C). Furthermore, the NFCCNMT-B0.02 demonstrates a superior wide-temperature performance, maintaining the same capacity level (113.4 mAh g−1@-20 ℃, 121 mAh g−1@25 ℃, and 119 mAh g−1@60 ℃) and superior cycle stability (90% capacity retention after 100 cycles at 1 C at -20 ℃). The high-entropy configuration design with boron doping strategy contributes to the excellent sodium-ion storage performance. The high-entropy configuration design effectively suppresses irreversible phase transitions accompanied by small volume changes (ΔV=0.65 \AA3). B ions doping expands the Na layer distance and enlarges the P3 phase region, thereby enhancing Na+ diffusion kinetics. This work offers valuable insights into design of high-performance layered cathodes for sodium-ion batteries operating across a wide temperature.
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