High-Voltage Layered Manganese-Based Oxide Cathode with Excellent Rate Capability Enabled by K/F Co-doping

电化学 材料科学 阴极 X射线光电子能谱 分析化学(期刊) 兴奋剂 氧化物 氧气 电极 化学工程 化学 物理化学 光电子学 工程类 冶金 有机化学 色谱法
作者
Rihuang Nie,Hongxia Chen,Yutian Yang,Cheng Li,Hongming Zhou
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (4): 2358-2369 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c03613
摘要

P-type layered manganese-based materials are prone to undergo lattice oxygen oxidation accompanied by oxygen layer slipping and even unfavorable phase transitions at around 4.2 V, giving rise to rapid discharge capacity decline and inferior structural stability, which restricts their operating voltage and energy density. Here we propose a modification strategy for layered Na0.67MnO2 material with K/F co-doping so as to reach the optimization of lattice oxygen oxidation behavior and structural stability at a high cut-off voltage of 4.4 V. Combining X-ray powder diffraction refinement results, ex situ X-ray photoelectron spectrometry analysis, high-resolution transmission electron microscopy, and electrochemical characterization, our work demonstrates that an appropriate amount of K/F co-doping has a favorable effect on the formation of well-reversible lattice oxygen oxidation behavior and the improvement of Na layer spacing. Owing to the synergetic effect of potassium and fluorine atoms, the initial discharge capacity is up to 210.2 mA h g–1 at 0.1 C and 140.2 mA h g–1 at 1 C with 73% capacity retention after 100 cycles and high discharge capacity of 115.0 mA h g–1 at 5 C, with 68.1 mA h g–1 retained after 200 cycles. The kinetic analysis shows that the optimal K0.05Na0.62MnO1.95F0.05 sample exhibits the largest sodium ion diffusion coefficient and the smallest electrochemical polarization, which paves a novel path for the application of layered manganese-based oxides in high-voltage cathode materials for sodium-ion batteries.
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