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Covalency modulation enables stable Na-rich layered oxide cathodes for Na-ion batteries

阴极 电化学 电负性 氧化还原 氧化物 过渡金属 材料科学 结构稳定性 化学工程 无机化学 纳米技术 化学物理 化学 电极 物理化学 催化作用 冶金 生物化学 有机化学 结构工程 工程类
作者
Xi Zhou,Manling Ding,Chen Cheng,Xiao Xia,Haolv Hu,Yihao Shen,Stanislav S. Fedotov,Liang Zhang
出处
期刊:Electronic structure [IOP Publishing]
卷期号:5 (1): 014004-014004 被引量:2
标识
DOI:10.1088/2516-1075/acba6e
摘要

Abstract As the analogs of Li-rich materials, Na-rich transition metal layered oxides are promising cathode materials for Na-ion batteries owing to their high theoretical capacity and energy density through cumulative cationic and anionic redox. However, most of the reported Na-rich cathode materials are mainly Ru- and Ir-based layered oxides, which limits the practical application. Herein, we report a Na-rich and Ru-doped O3-type Na 1.1 Ni 0.35 Mn 0.55 O 2 cathode to mitigate this issue. By partially substituting Mn 4+ with high-electronegativity Ru 4+ , the structural stability and electrochemical performance of the cathode are both greatly improved. It is validated that the high covalency of Ru–O bonds could harden the structural integrity with rigid oxygen framework upon cycling, leading to enhanced O3-P3 phase transition reversibility. Ru doping also induces an enlarged interlayer spacing to boost the Na + diffusion kinetics for improved rate capability. In addition, benefiting from the large energetic overlap between Ru 4d and O 2p states, the reinforced Ru–O covalency enables highly reversible Ru 4+ /Ru 5+ redox accompanied with more stable oxygen redox, leading to improved specific capacity and stability over cycling. Our present study provides a promising strategy for designing high-performance Na-rich layered oxide cathode materials through covalency modulation toward practical applications.
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