Sustainable Anionic Redox by Inhibiting Li Cross-Layer Migration in Na-Based Layered Oxide Cathodes

氧化还原 阴极 氧化物 材料科学 化学物理 化学工程 密度泛函理论 无机化学 电极 化学 计算化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Yuansheng Shi,Fushan Geng,Yang Sun,Pengfeng Jiang,Wang Hay Kan,Wei Tong,Xueyi Lu,Guoyu Qian,Nan Zhang,Bin Wei,Bingwen Hu,Dapeng Cao,Xia Lu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c11146
摘要

The irrational utilization of an anionic electron often accompanies structural degradation with an irreversible cation migration process upon cycling in sodium-layered oxide cathodes. Moreover, the insufficient understanding of the anionic redox involved cation migration makes the design strategies of high energy density electrodes even less effective. Herein, a P3-Na0.67Li0.2Fe0.2Mn0.6O2 (P3-NLFM) cathode is proposed with the in-plane disordered Li distribution after an in-depth remolding of the Li ribbon-ordered P3-Na0.6Li0.2Mn0.8O2 (P3-NLM) layered oxide. The disordered Li sublattice in the transition metal slab of P3-NLFM leads to the dispersed |O2p orbitals, the lowered charge transfer gap, and the suppressed phase transition at high voltages. Then the enhanced Mn–O interaction and electronic stability are disclosed by the crystal orbital Hamilton population (COHP) analysis at high voltage in P3-NLFM. Furthermore, ab initio molecular dynamics (AIMD) simulation suggests the order/disorder of the transition metal layer is highly correlated with the stability of the Li sublattice. The cross-layer migration and loss of Li in P3-NLM are suppressed in P3-NLFM to enable the high reversibility upon cycling. As a result, the P3-NLFM delivers a high capacity of 163 mAh g–1 without oxygen release and an enhanced capacity retention of 81.9% (vs 42.9% in P3-NLM) after 200 cycles, which constitutes a promising approach for sustainable oxygen redox in rechargeable batteries.
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