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Multi-element doping induced transition metal disordered layered oxide for rapid and stable potassium storage

五元 兴奋剂 阴极 过渡金属 材料科学 氧化物 电化学 化学工程 金属 无机化学 化学 化学物理 电极 冶金 光电子学 物理化学 催化作用 工程类 生物化学 合金
作者
Xiaoling Ding,Yuhan Wang,Xuanpeng Wang,Lishan Geng,Changyuan Guo,Wenhao Liu,Hong Wang,Congli Sun,Chunhua Han
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:466: 143331-143331 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.143331
摘要

Layered transition metal oxides are highly desirable cathode materials for potassium-ion batteries (PIBs) because of their considerable theoretical capacity and high output voltage. However, the ordered structure of these oxides limits K+ transport kinetics and the stability of the layered structure, resulting in poor rate and cycling performance. Here, a novel disordered Mn-based quinary transition metal oxide cathode, K0.7Fe0.05Co0.1Mn0.75Ni0.05V0.05O2, was developed for use in high-performance PIBs. The designed K0.7Fe0.05Co0.1Mn0.75Ni0.05V0.05O2 is a completely disordered transition metal that exhibits excellent rate capability (77.39 mA h g−1 at 1000 mA g−1) and long cycle life (∼70.3% capacity retention at 1000 mA g−1 after 500 cycles). The kinetics of the facilitated electrode process was demonstrated by density functional theory calculations, where the disordering of transition metals effectively reduces the energy barrier of K+ migration while increasing the electronic conductivity. In situ X-ray diffraction verifies the highly reversible structural evolution during potassium insertion/extraction, achieving an ultra-low volume change (0.65%). The enhanced performance is attributed to a larger d-spacing and stronger metal–oxygen bond. Such results substantiate that multi-element doping to induce quinary disordered transition metals is an efficient strategy to enhance the electrochemical performance of layered oxides and provide a new guideline for the design of advanced PIBs.
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