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Effect of dopants and microstructure on the electrochemical cyclic stability of layered P2-type Na0.67MnO2 prepared by different chemical routes: An experimental and theoretical study

材料科学 掺杂剂 微观结构 电化学 结构精修 X射线光电子能谱 化学工程 氧化物 阴极 过渡金属 兴奋剂 晶体结构 结晶学 物理化学 冶金 光电子学 电极 化学 工程类 催化作用 生物化学
作者
M. Venkatesh,G. Sudha Priyanga,Sonia Sharma,P. Laxman Mani Kanta,Tiju Thomas,R. Gopalan,Bijoy Das
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier]
卷期号:49 (4): 6654-6665 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2022.11.002
摘要

High specific capacity layered transition metal oxide, Na x MnO 2 is considered a potential cathode for sodium-ion batteries (SIBs). However, its poor capacity retention due to irreversible phase transitions during sodium ion insertion/extraction remains a critical challenge for practical applications. Herein, we report Fe and Co co-doped P2-type Na 0.67 MnO 2 cathode material prepared via different facile chemical routes to understand the effect of dopants and microstructure on its electrochemical cyclic stability. The Rietveld refinement analysis depicts an increase in lattice parameter c of Fe and Co doped materials as compared to parent material; thereby favouring sodium-ion storage (in turn enhancing and stabilizing specific capacity). XPS analysis confirms the presence of Mn in both 3+ and 4+ oxidation states; whereas Fe and Co in 3+ oxidation states occupy Mn 3+ in Na 0.67 MnO 2 . Both experiment and ab initio magnetic calculations show a reduction in Mn 3+ content after Fe and Co doping, reducing the tendency for Jahn-Teller distortion. This is concomitant with Fe and Co doping showing improved cyclic stability when cycled under similar conditions. At 0.1 C (where 1 C = 174 mAh g −1 ), Fe and Co-doped Na 0.67 MnO 2 showed significant improvement with higher discharge specific capacities of 80 and 103 mAh g −1 even after 60th cycle when compared to 36 mAh g −1 after 25th cycle for the parent material Na 0.67 MnO 2 . • Novel co-precipitation and microwave-assisted synthesis of Na 0.67 (Mn 0.5 Fe 0.25 Co 0.25 )O 2 . • Improved cyclic stability through sequential doping of Fe and Co into Na 0.67 MnO 2 . • Effect of microstructures on the electrochemical performance of Na 0.67 MnO 2 . • Explanation of improved electrochemical performance through density functional theory. • Structure-property correlation through experiment and theoretical study.

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