New Insights into the Roles of Mg in Improving the Rate Capability and Cycling Stability of O3-NaMn0.48Ni0.2Fe0.3Mg0.02O2 for Sodium-Ion Batteries

材料科学 电化学 插层(化学) 晶体结构 结构稳定性 价(化学) 兴奋剂 过渡金属 结晶学 阴极 无机化学 电极 物理化学 化学 光电子学 工程类 催化作用 结构工程 有机化学 生物化学
作者
Cheng Zhang,Rui Gao,Lirong Zheng,Yongmei Hao,Xiangfeng Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:10 (13): 10819-10827 被引量:125
标识
DOI:10.1021/acsami.7b18226
摘要

Elements doping has been used to improve the electrochemical performances of O3-type layered transition metal oxide cathodes for sodium-ion batteries. However, their roles and the improvement mechanism have not been clearly understood. Herein, the effects of Mg substitution for Mn on the structure and electrochemical performances of NaMn0.48Ni0.2Fe0.3Mg0.02O2 have been comprehensively investigated and some new insights into the roles of Mg in improving the rate capability and cycling stability have been presented. (1) The substitution of Mg for Mn enlarges the interlayer spacing, which not only enhances Na+ diffusion and the rate capability but also alleviates the lattice strains induced by Na+ intercalation/deintercalation. (2) The substitution of Mg by Mn also shrinks TM–O bond and TMO2 slabs, which enhances the layered structure stability. (3) The Mg substitution also mitigates the structure distortion or volume change of the crystal lattices and suppresses the irreversible phase transitions. (4) The substitution of low-valence Mg2+ for Mn3+ reduces Mn3+ and minimizes Jahn–Teller effect, which also further alleviates the irreversible phase transformations and improves the layered structure stability. This study not only unveils the roles of Mg but also presents some insights into designing the cathode materials with both high rate capability and high cycling stability through the lattice structure regulation.
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