Designing ultrastable P2/O3-type layered oxides for sodium ion batteries by regulating Na distribution and oxygen redox chemistry

电解质 电化学 阴极 氧化还原 化学 煅烧 氧气 氧化物 相(物质) 离子 化学工程 无机化学 电极 催化作用 物理化学 有机化学 工程类 生物化学
作者
Jieyou Huang,Weiliang Li,Debin Ye,Lin Xu,Wenwei Wu,Xuehang Wu
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:94: 466-476 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.03.010
摘要

P2/O3-type Ni/Mn-based layered oxides are promising cathode materials for sodium-ion batteries (SIBs) owing to their high energy density. However, exploring effective ways to enhance the synergy between the P2 and O3 phases remains a necessity. Herein, we design a P2/O3-type Na0.76Ni0.31Zn0.07Mn0.50Ti0.12O2 (NNZMT) with high chemical/electrochemical stability by enhancing the coupling between the two phases. For the first time, a unique Na+ extraction is observed from a Na-rich O3 phase by a Na-poor P2 phase and systematically investigated. This process is facilitated by Zn2+/Ti4+ dual doping and calcination condition regulation, allowing a higher Na+ content in the P2 phase with larger Na+ transport channels and enhancing Na+ transport kinetics. Because of reduced Na+ in the O3 phase, which increases the difficulty of H+/Na+ exchange, the hydrostability of the O3 phase in NNZMT is considerably improved. Furthermore, Zn2+/Ti4+ presence in NNZMT synergistically regulates oxygen redox chemistry, which effectively suppresses O2/CO2 gas release and electrolyte decomposition, and completely inhibits phase transitions above 4.0 V. As a result, NNZMT achieves a high discharge capacity of 144.8 mA h g−1 with a median voltage of 3.42 V at 20 mA g−1 and exhibits excellent cycling performance with a capacity retention of 77.3% for 1000 cycles at 2000 mA g−1. This study provides an effective strategy and new insights into the design of high-performance layered-oxide cathode materials with enhanced structure/interface stability for SIBs.
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