Multi‐Level Engineering from Surface to Bulk Enabling Highly Stable Ni‐Rich O3‐Type Cathode toward Temperature‐Tolerant Quasi‐Solid‐State Na‐Ion Batteries

阴极 材料科学 涂层 化学工程 表面改性 离子键合 离子 表面工程 纳米技术 化学物理 化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Leilei Wang,Jiwei Hao,Guoshuai Su,Danfeng Yao,Yamin Zhang,Longwei Liang,Linrui Hou,Changzhou Yuan
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202412537
摘要

Abstract The pursuit of high‐capacity Na‐ion batteries (NIBs) has propelled great forward the O3‐type Ni‐rich NaNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 (NCM) cathodes. However, the inborn chemo‐mechanical instabilities caused by complex phase transitions and anisotropic lattice stress have severely delayed its widespread application. In the contribution, a cooperative surface‐to‐bulk modification strategy, i.e., in situ surface NaTi 2 (PO 4 ) 3 (NTP) coating and bulk Ti/F co‐doping, is first proposed to engineer an advanced NCM cathode (denoted as TF‐NCM@NTP). The NTP protective layer with high thermodynamic stability and ionic conductivity endows TF‐NCM@NTP with a highly stable interface and expedited de‐/sodiated kinetics. The robust Ni/Co/Mn─F bond and concurrent Ti─O bond greatly strengthen the bulk lattice oxygen and mitigate the internal strain self‐reproduction. Benefiting from these synergistic merits, the designed TF‐NCM@NTP cathode demonstrates exceptional sodium‐storage performance in terms of high‐rate capacities and long‐duration cycle life in both half and full cells. Particularly, the TF‐NCM@NTP‐based quasi‐solid‐state NIBs deliver an applicable material‐level energy density of 285 Wh kg −1 at 25 °C, and exhibit wide‐temperature‐tolerant Na‐storage behaviors ranging from −20 to 50 °C. More essentially, the multi‐level engineering strategy from surface to bulk developed here definitely makes enormous progress for rationally designing advanced cathode materials toward multi‐scenario applicable NIBs.
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