Layer-Structured Multitransition-Metal Oxide Cathode Materials for Potassium-Ion Batteries with Long Cycling Lifespan and Superior Rate Capability

材料科学 阴极 插层(化学) 氧化物 八面体 过渡金属 化学工程 图层(电子) 金属 离子 纳米技术 无机化学 冶金 物理化学 化学 生物化学 催化作用 量子力学 工程类 物理
作者
Shuaishuai Wang,Zhao-Meng Liu,Xuan‐Wen Gao,Xuan-Chen Wang,Hong Chen,Wen Luo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.3c13707
摘要

Manganese (Mn)-based layer-structured transition metal oxides are considered as excellent cathode materials for potassium ion batteries (KIBs) owing to their low theoretical cost and high voltage plateau. The energy density and cycling lifetime, however, cannot simultaneously satisfy the basic requirements of the market for energy storage systems. One of the primary causes results from the complex structural transformation and transition metal migration during the ion intercalation and deintercalation process. The orbital and electronic structure of the octahedral center metal element plays an important role for maintaining the octahedral structural integrity and improving the K+ diffusivity by the introduced heterogeneous [Me-O] chemical bonding. A multitransition metal oxide, P3-type K0.5Mn0.85Co0.05Fe0.05Al0.05O2 (KMCFAO), was synthesized and employed as a cathode material for KIBs. Beneficial from the larger layer spacing for K+ to better accommodate and effectively preventing the irreversible structural transformation in the insertion/extraction process, it can reach a superior capacity retention up to 96.8% after 300 cycles at a current density of 500 mA g-1. The full cell of KMCFAO//hard carbon exhibits an encouraging promising energy density of 113.8 W h kg-1 at 100 mA g-1 and a capacity retention of 72.6% for 500 cycles.

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