Reversible Oxygen Redox Chemistry in High-Entropy P2-Type Manganese-Based Cathodes via Self-Regulating Mechanism

氧化还原 阴极 材料科学 氧气 离子键合 电化学 化学工程 化学物理 析氧 离子 电极 无机化学 化学 物理化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Yujin Zhou,Lanyan Li,Haisheng Lin,Zhongyun Ma,Xianyou Wang,Guozhao Fang,Zhigao Luo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (26): 33539-33547 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.4c05876
摘要

The irreversible oxygen-redox reactions in the high-voltage region of sodium-layered cathode materials lead to poor capacity retention and structural instability during cycling, presenting a significant challenge in the development of high-energy-density sodium-ion batteries. This work introduces a high-entropy design for layered Na0.67Li0.1Co0.1Cu0.1Ni0.1Ti0.1Mn0.5O2 (Mn-HEO) cathode with a self-regulating mechanism to extend specific capacity and energy density. The oxygen redox reaction was activated during the initial charging process, accompanied by the self-regulation of active elements, enhancing the ionic bonds to form a vacancy wall near the TM vacancies and thus preventing the migration of transition metal elements. Systematic in situ/ex situ characterizations and theoretical calculations comprehensively support the understanding of the self-regulation mechanism of Mn-HEO. As a result, the Mn-HEO cathode exhibits a stable structure during cycling. It demonstrates almost zero strain within a wide voltage range of 2.0–4.5 V with a remarkable specific capacity (177 mAh g–1 at 0.05 C) and excellent long-term cycling stability (87.6% capacity retention after 200 cycles at 2 C). This work opens a new pathway for enhancing the stability of oxygen-redox chemistry and revealing a mechanism of crystal structure evolution for high-energy-density layered oxides.
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