Lower Diffusion‐Induced Stress in Nano‐Crystallites of P2‐Na2/3Ni1/3Mn1/2Ti1/6O2 Novel Cathode for High Energy Na‐ion Batteries

材料科学 阴极 微晶 阳极 电化学 电极 扩散 化学工程 分析化学(期刊) 复合材料 冶金 热力学 化学 物理化学 物理 工程类 色谱法
作者
Arunava Sengupta,Ajit Kumar,Gayatree Barik,Aakash Ahuja,Jit Ghosh,Harshita Lohani,Pratima Kumari,Tanmay K. Bhandakkar,Sagar Mitra
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (12) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/smll.202206248
摘要

P2-type Na2/3 Ni1/3 Mn1/2 Ti1/6 O2 (NMTNO) cathode is a preeminent electrode material for Na-ion batteries owing to its open prismatic framework, air-moisture stability, inexpensiveness, appealing capacity, environmental benignity, and Co-free composition. However, the poor cycling stability, sluggish Na-ion kinetics induced in bulk-sized cathode particles, cracking, and exfoliation in the crystallites remain a setback. To outmaneuver these, a designing strategy of a mechanically robust, hexagonal nano-crystallites of P2-type Na2/3 Ni1/3 Mn1/2 Ti1/6 O2 (NMTNOnano ) electrode via quick, energy-efficient, and low-cost microwave-irradiated synthesis is proposed. For the first time, employing a unified experimental and theoretical approach with fracture mechanics analysis, the mechanism behind the enhanced performance, better structural stability, and lower diffusion-induced stress of NMTNOnano compared to micro-sized Na2/3 Ni1/3 Mn1/2 Ti1/6 O2 is unveiled and the electrochemical shock map is predicted. The NMTNOnano cathode provides 94.8% capacity retention after 100 cycles at 0.1 C with prolonged performance for 1000 cycles at 0.5 C. The practical viability of this cathode, tested in a full cell against a hard carbon anode delivered 85.48% capacity retention at 0.14 mA cm-2 after 200 cycles. This work bridges the gap in correlating the microstructural and electrochemical properties through experimental, theoretical (DFT), and fracture mechanics analysis, thereby tailoring efficient cathode with lower diffusion-induced stress for high-energy Na-ion batteries.
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