High-Entropy Na-Deficient Layered Oxides for Sodium-Ion Batteries

电化学 材料科学 阴极 八面体 动力学 容量损失 离子 同步加速器 结构稳定性 电极 化学工程 化学物理 结晶学 化学 物理化学 晶体结构 物理 有机化学 量子力学 结构工程 核物理学 工程类
作者
Haoji Wang,Xu Gao,Shu Zhang,Yu Mei,Lianshan Ni,Jinqiang Gao,Huanqing Liu,Ningyun Hong,Baichao Zhang,Fangjun Zhu,Wentao Deng,Guoqiang Zou,Hongshuai Hou,Xiaoyu Cao,Hongyi Chen,Xiaobo Ji
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (13): 12530-12543 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c02290
摘要

Sodium layered oxides always suffer from sluggish kinetics and deleterious phase transformations at deep-desodiation state (i.e., >4.0 V) in O3 structure, incurring inferior rate capability and grievous capacity degradation. To tackle these handicaps, here, a configurational entropy tuning protocol through manipulating the stoichiometric ratios of inactive cations is proposed to elaborately design Na-deficient, O3-type NaxTmO2 cathodes. It is found that the electrons surrounding the oxygen of the TmO6 octahedron are rearranged by the introduction of MnO6 and TiO6 octahedra in Na-deficient O3-type Na0.83Li0.1Ni0.25Co0.2Mn0.15Ti0.15Sn0.15O2-δ (MTS15) with expanded O-Na-O slab spacing, giving enhanced Na+ diffusion kinetics and structural stability, as disclosed by theoretical calculations and electrochemical measurements. Concomitantly, the entropy effect contributes to the improved reversibility of Co redox and phase-transition behaviors between O3 and P3, as clearly revealed by ex situ synchrotron X-ray absorption spectra and in situ X-ray diffraction. Notably, the prepared entropy-tuned MTS15 cathode exhibits impressive rate capability (76.7% capacity retention at 10 C), cycling stability (87.2% capacity retention after 200 cycles) with a reversible capacity of 109.4 mAh g-1, good full-cell performance (84.3% capacity retention after 100 cycles), and exceptional air stability. This work provides an idea for how to design high-entropy sodium layered oxides for high-power density storage systems.
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