Origins of Irreversibility in Layered NaNixFeyMnzO2 Cathode Materials for Sodium Ion Batteries

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作者
Changjian Deng,Eric Gabriel,Paige Skinner,Sungsik Lee,Pete Barnes,Chunrong Ma,Jihyeon Gim,Miu Lun Lau,Eungje Lee,Hui Xiong
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (46): 51397-51408 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acsami.0c13850
摘要

Layered NaNixFeyMnzO2 cathode (NFM) is of great interest in sodium ion batteries because of its high theoretical capacity and utilization of abundant, low-cost, environmentally friendly raw materials. Nevertheless, there remains insufficient understanding on the concurrent local environment evolution in each transition metal (TM) that largely influences the reversibility of the cathode materials upon cycling. In this work, we investigate the reversibility of TM ions in layered NFMs with varying Fe contents and potential windows. Utilizing ex situ synchrotron X-ray absorption near-edge spectroscopy and extended X-ray absorption fine structure of precycled samples, the valence and bonding evolution of the TMs are elucidated. It is found that Mn is electrochemically inactive, as indicated by the insignificant change of Mn valence and the Mn-O bonding distance. Fe is electrochemically inactive after the first five cycles. The Ni redox couple contributes most of the charge compensation for NFMs. Ni redox is quite reversible in the cathodes with less Fe content. However, the Ni redox couple shows significant irreversibility with a high Fe content of 0.8. The electrochemical reversibility of the NFM cathode becomes increasingly enhanced with the decrease of either Fe content or with lower upper charge cutoff potential.
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