Anomalous Jahn–Teller behavior in a manganese-based mixed-phosphate cathode for sodium ion batteries

阴极 磷酸盐 离子 雅恩-泰勒效应 化学 材料科学 无机化学 冶金 有机化学 物理化学
作者
Hyungsub Kim,Gabin Yoon,Inchul Park,Kyu‐Young Park,Byungju Lee,Jongsoon Kim,Young‐Uk Park,Sung‐Kyun Jung,Hee‐Dae Lim,Docheon Ahn,Seongsu Lee,Kisuk Kang
出处
期刊:Energy and Environmental Science [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:8 (11): 3325-3335 被引量:194
标识
DOI:10.1039/c5ee01876e
摘要

We report a 3.8 V manganese-based mixed-phosphate cathode material for applications in sodium rechargeable batteries; i.e., Na4Mn3(PO4)2(P2O7). This material exhibits a largest Mn2+/Mn3+ redox potential of 3.84 V vs. Na+/Na yet reported for a manganese-based cathode, together with the largest energy density of 416 W h kg−1. We describe first-principles calculations and experimental results which show that three-dimensional Na diffusion pathways with low-activation-energy barriers enable the rapid sodium insertion and extraction at various states of charge of the Na4−xMn3(PO4)2(P2O7) electrode (where x = 0, 1, 3). Furthermore, we show that the sodium ion mobility in this crystal structure is not decreased by the structural changes induced by Jahn–Teller distortion (Mn3+), in contrast to most manganese-based electrodes, rather it is increased due to distortion, which opens up sodium diffusion channels. This feature stabilizes the material, providing high cycle stability and high power performance for sodium rechargeable batteries. The high voltage, large energy density, cycle stability and the use of low-cost Mn give Na4Mn3(PO4)2(P2O7) significant potential for applications as a cathode material for large-scale Na-ion batteries.
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