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Synergetic stability enhancement with magnesium and calcium ion substitution for Ni/Mn-based P2-type sodium-ion battery cathodes

氧化还原 阴极 材料科学 过渡金属 密度泛函理论 掺杂剂 兴奋剂 离子 无机化学 化学 物理化学 冶金 计算化学 催化作用 光电子学 有机化学 生物化学
作者
Hongwei Fu,Yunpeng Wang,Guozheng Fan,Shan Guo,Xuesong Xie,Xinxin Cao,Bingan Lu,Mengqiu Long,Jiang Zhou,Shuquan Liang
出处
期刊:Chemical Science [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (3): 726-736 被引量:81
标识
DOI:10.1039/d1sc05715d
摘要

The conventional P2-type cathode material Na0.67Ni0.33Mn0.67O2 suffers from an irreversible P2-O2 phase transition and serious capacity fading during cycling. Here, we successfully carry out magnesium and calcium ion doping into the transition-metal layers (TM layers) and the alkali-metal layers (AM layers), respectively, of Na0.67Ni0.33Mn0.67O2. Both Mg and Ca doping can reduce O-type stacking in the high-voltage region, leading to enhanced cycling endurance, however, this is associated with a decrease in capacity. The results of density functional theory (DFT) studies reveal that the introduction of Mg2+ and Ca2+ make high-voltage reactions (oxygen redox and Ni4+/Ni3+ redox reactions) less accessible. Thanks to the synergetic effect of co-doping with Mg2+ and Ca2+ ions, the adverse effects on high-voltage reactions involving Ni-O bonding are limited, and the structural stability is further enhanced. The finally obtained P2-type Na0.62Ca0.025Ni0.28Mg0.05Mn0.67O2 exhibits a satisfactory initial energy density of 468.2 W h kg-1 and good capacity retention of 83% after 100 cycles at 50 mA g-1 within the voltage range of 2.2-4.35 V. This work deepens our understanding of the specific effects of Mg2+ and Ca2+ dopants and provides a stability-enhancing strategy utilizing abundant alkaline earth elements.
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