Al and Fe-containing Mn-based layered cathode with controlled vacancies for high-rate sodium ion batteries

材料科学 阴极 兴奋剂 电化学 中子衍射 离子 阳极 化学工程 电极 衍射 光电子学 物理化学 光学 化学 物理 量子力学 工程类
作者
Xiangsi Liu,Guiming Zhong,Zhumei Xiao,Bizhu Zheng,Wenhua Zuo,Ke Zhou,Haodong Liu,Ziteng Liang,Yuxuan Xiang,Zirong Chen,Gregorio F. Ortiz,Riqiang Fu,Yong Yang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:76: 104997-104997 被引量:94
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104997
摘要

Mn-based layered oxides as one of the most promising and cost-effective cathode candidates for sodium-ion batteries still face great challenge to achieve high capacity with long cycle life under high-rate current simultaneously. In this work, we propose an effective strategy by a combination of liquid N2 quenching and aliovalent doping to get new layered cathode materials. As evidenced by in-situ synchrotron X-ray diffraction, time-of-flight powder neutron diffraction and solid-state 23Na nuclear magnetic resonance techniques, the proposed synthesis methods allow tuning the transition metal ions vacancies and enhance Mn4+/Mn3+ redox center of P2-type Mn-based materials. Our results demonstrate that such an optimized structure significantly enhances the deliverable capacity, Na+ mobility and electronic conductivity of the materials. Furthermore, the effects of aliovalent doping elements and different cooling approaches on the long-range structure, local environment and electrochemical performance are comprehensively studied by comparing a wide range of doped Na0.67MxMn1-xO2 (M = Li, Mg, Al, Fe) materials. The optimized Na0.67Al0.1Fe0.05Mn0.85O2 material exhibits a remarkably high initial capacity of 202 mAh g−1 among ever reported P2-type layered oxides within 2–4 V, a stable capacity retention of 81% after 600 cycles and outstanding rate capability of the specific capacity up to 122 mAh g−1 at 1200 mA g−1.
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