Influence of Interlayer Cation Ordering on Na Transport in P2-Type Na0.67–xLiy Ni0.33–zMn0.67+zO2 for Sodium-Ion Batteries

化学 空位缺陷 中子衍射 密度泛函理论 扩散 结晶学 过渡金属 凝聚态物理 晶体结构 计算化学 热力学 生物化学 物理 催化作用
作者
Eric Gabriel,Zishen Wang,Vibhu Vardhan Singh,Kincaid Graff,Jue Liu,Cyrus Koroni,Dewen Hou,Darin Schwartz,Cheng Li,Juejing Liu,Xiaofeng Guo,Naresh C. Osti,Shyue Ping Ong,Hui Xiong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (22): 15108-15118 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.4c00869
摘要

P2-type Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 (PNNMO) has been extensively studied because of its desirable electrochemical properties as a positive electrode for sodium-ion batteries. PNNMO exhibits intralayer transition-metal ordering of Ni and Mn and intralayer Na+/vacancy ordering. The Na+/vacancy ordering is often considered a major impediment to fast Na+ transport and can be affected by transition-metal ordering. We show by neutron/X-ray diffraction and density functional theory (DFT) calculations that Li doping (Na2/3Li0.05Ni1/3Mn2/3O2, LFN5) promotes ABC-type interplanar Ni/Mn ordering without disrupting the Na+/vacancy ordering and creates low-energy Li–Mn-coordinated diffusion pathways. A structure model is developed to quantitatively identify both the intralayer cation mixing and interlayer cationic stacking fault densities. Quasielastic neutron scattering reveals that the Na+ diffusivity in LFN5 is enhanced by an order of magnitude over PNNMO, increasing its capacity at a high current. Na2/3Ni1/4Mn3/4O2 (NM13) lacks Na+/vacancy ordering but has diffusivity comparable to that of LFN5. However, NM13 has the smallest capacity at a high current. The high site energy of Mn–Mn-coordinated Na compared to that of Ni–Mn and higher density of Mn–Mn-coordinated Na+ sites in NM13 disrupts the connectivity of low-energy Ni–Mn-coordinated diffusion pathways. These results suggest that the interlayer ordering can be tuned through the control of composition, which has an equal or greater impact on Na+ diffusion than the Na+/vacancy ordering.
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