High-Voltage Stabilization of O3-Type Layered Oxide for Sodium-Ion Batteries by Simultaneous Tin Dual Modification

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作者
Tengfei Song,Lin Chen,Dominika Gastol,Bo Dong,José F. Marco,Frank J. Berry,Peter R. Slater,Daniel Reed,Emma Kendrick
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (9): 4153-4165 被引量:97
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c00522
摘要

O3-type layered oxide materials are considered to be a highly suitable cathode for sodium-ion batteries (NIBs) due to their appreciable specific capacity and energy density. However, rapid capacity fading caused by serious structural changes and interfacial degradation hampers their use. A novel Sn-modified O3-type layered NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 cathode is presented, with improved high-voltage stability through simultaneous bulk Sn doping and surface coating in a scalable one-step process. The bulk substitution of Sn4+ stabilizes the crystal structure by alleviating the irreversible phase transition and lattice structure degradation and increases the observed average voltage. In the meantime, the nanolayer Sn/Na/O composite on the surface effectively inhibits surface parasitic reactions and improves the interfacial stability during cycling. A series of Sn-modified materials are reported. An 8%-Sn-modified NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 cathode exhibits a doubling in capacity retention increase after 150 cycles in the wide voltage range of 2.0-4.1 V vs Na/Na+ compared to none, and 81% capacity retention is observed after 200 cycles in a full cell vs hard carbon. This work offers a facile process to simultaneously stabilize the bulk structure and interface for the O3-type layered cathodes for sodium-ion batteries and raises the possibility of similar effective strategies to be employed for other energy storage materials.
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