Gradient and De‐Clustered Anionic Redox Enabled Undetectable O2 Formation in 4.5 V Sodium Manganese Oxide Cathodes

氧化还原 电化学 材料科学 氧化物 阴极 晶体结构 无机化学 结晶学 分析化学(期刊) 化学 物理化学 电极 冶金 色谱法
作者
Na Li,Enyue Zhao,Zhigang Zhang,Wen Yin,Lunhua He,Bao‐Tian Wang,Fangwei Wang,Xiaoling Xiao,Jinkui Zhao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202408984
摘要

Abstract Anionic redox chemistry presents a promising approach to enhancing the energy density of oxide cathode materials. However, anionic redox reactions invariably lead to O 2 formation, either as free gaseous O 2 or trapped molecular O 2 , which destabilizes the material's structure. Here, this critical challenge is addressed by constructing a crystal structure with both gradient redox activity and de‐clustered redox‐active oxygen. This design strategy is directly validated by operando differential electrochemical mass spectrometry and ex situ 50 K electron paramagnetic resonance, revealing no release of O 2 or trapped O 2 in the 4.5 V P2‐type sodium manganese‐based layered oxide. Notably, the material exhibits a highly reversible capacity of 247 mA h g −1 at 20 mA g −1 and exceptional capacity retention of 91.4% after 300 cycles at 300 mA g −1 . In situ X‐ray diffraction further suggests that the absence of O 2 formation suppresses the typical P2‐O2 phase transition, resulting in a minimal lattice volume change of only 0.5%. Ex situ neutron diffraction studies and theoretical calculations further elucidate that the locally ordered lattice is well‐preserved, attributable to reduced cationic migrations during cycling.
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