Origins of Bistability and Na Ion Mobility Difference in P2‐ and O3‐Na2/3Fe2/3Mn1/3O2Cathode Polymorphs

材料科学 氧化物 电化学 离子 双稳态 阴极 化学物理 堆积 过渡金属 扩散 相变 电极 热力学 物理化学 光电子学 物理 核磁共振 化学 量子力学 生物化学 催化作用 冶金
作者
Nebil A. Katcho,Javier Carrasco,Damien Saurel,Elena Gonzalo,Man Huon Han,Frédéric Aguesse,Teófilo Rojo
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:7 (1) 被引量:118
标识
DOI:10.1002/aenm.201601477
摘要

Transition metal layered oxides are promising cathode materials for sodium‐ion batteries. Phase transitions involving different stacking sequences of the oxide layers often plague the electrochemistry of these materials during cycling, which strongly impacts in their electrochemical performance. However, the underlying mechanisms of these processes remain elusive. Interestingly, P2‐ and O3‐Na 2/3 Fe 2/3 Mn 1/3 O 2 phases are the first transition metal layered oxide polymorphs that have been synthesized with exactly the same composition. This offers unprecedented access to the study of bistability in these systems as well as isolates the effect of local structure on Na ion mobility. Here, first‐principles calculations and experiments are combined to unveil the physical origin of such bistability and identify important differences in Na ion diffusion between these two phases. It has been found that electrostatic interactions between oxide layers control the bistable nature of P2 and O3 phases. It is also put forward that the interlayer distance between oxide layers may be a useful descriptor to rationalize the relative stability of other P and O phases in general. Furthermore, this study tracks down to the molecular level the differences regarding Na ion mobility in P2‐ and O3‐Na 2/3 Fe 2/3 Mn 1/3 O 2 by computing activation energies and estimating diffusion coefficients.
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