Facilitating an Ultrastable O3-Type Cathode for 4.5 V Sodium-Ion Batteries via a Dual-Reductive Coupling Mechanism

化学 阴极 联轴节(管道) 机制(生物学) 对偶(语法数字) 离子 化学物理 纳米技术 无机化学 物理化学 有机化学 冶金 量子力学 艺术 材料科学 物理 文学类
作者
Tianwei Cui,Longxiang Liu,Yuxuan Xiang,Chuanchao Sheng,Xiang Li,Yongzhu Fu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (20): 13924-13933 被引量:25
标识
DOI:10.1021/jacs.4c01787
摘要

O3-type layered oxides for sodium-ion batteries (SIBs) have attracted extensive attention due to their inherently sufficient Na content, which have been considered as one of the most promising candidates for practical applications. However, influenced by the irreversible oxygen loss and the phase transition of O3–P3, the O3-type cathodes are always limited by low cutoff voltages (typically <4.2 V), restraining the full release of the capacity. In this study, we originally propose a dual-reductive coupling mechanism in a novel O3-type Na0.8Li0.2Fe0.2Ru0.6O2 cathode with the suppressed O3–P3 phase transition, aiming at improving the reversibility of oxygen redox at high voltage regions. Consequently, thanks to the formation of the strong covalent Fe/Ru–(O–O) bonding and inhibited slab gliding from the O to P phase, the cathode delivers the preeminent cyclic stability among the numerous O3-type cathodes within a high voltage of 4.5 V (a capacity retention of 95.4% after 100 cycles within 1.5–4.5 V). More importantly, HAADF-STEM and 7Li solid-state NMR results reveal the absence of transition metal migration and the presence of reversible Li migration during cycling, which further contributes to the improved structural robustness of the cathode. This study proposes an innovative strategy to boost the reversibility of anionic redox and to achieve stable high-voltage O3-type layered oxides, promoting the further development of SIBs.
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