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Solid-State Synthesis of Low-Cost and High-Energy-Density Sodium Layered-Tunnel Oxide Cathodes: Dynamic Structural Evolution, Na+/Vacancy Disordering, and Prominent Moisture Stability

空位缺陷 阴极 氧化物 材料科学 水分 结构稳定性 国家(计算机科学) 低能 固态 化学物理 凝聚态物理 工程物理 化学 原子物理学 复合材料 物理化学 物理 冶金 结构工程 工程类 计算机科学 算法
作者
Zhuang‐Chun Jian,Yi‐Feng Liu,Yan‐Fang Zhu,Jiayang Li,Haiyan Hu,Jing-Qiang Wang,Lingyi Kong,Xin‐Bei Jia,Hanxiao Liu,Jun-Xu Guo,Mengying Li,Yan‐Song Xu,Jianfeng Mao,Shilin Zhang,Yao Xiao,Shi Xue Dou,Shulei Chou
标识
DOI:10.2139/ssrn.4708080
摘要

Manganese-based layered oxides show promise as cathode materials for sodium-ion batteries (SIBs). However, challenges including sluggish Na+ kinetics, complex phase transitions, and poor air stability hinder their practical application. Herein, we proposed a dual-function strategy that not only precisely manipulates dynamic structural evolution from layered to tunnel structure, but also effectively suppresses Na+/vacancy and charge ordering by inhibiting electron delocalization. We designed a series of Ti-substituted Na2/3Mn1-xTixO2 (x=0, 1/9, 2/9, 1/3) as proof of concept materials to demonstrate the dual-function strategy. As a result, the optimized Na2/3Mn8/9Ti1/9O2 cathode material delivers a high specific capacity of 202.9 mAh g−1 at 0.1C within 1.5−4.3 V, equivalent to 536.6 Wh kg−1 of energy density, and exhibits 71.0% of capacity retention after 300 cycles at 1C. Meanwhile, a highly reversible P2/Tunnel-OP4/Tunnel phase transition process and interlocking effect between the layered and tunnel structure as well as prominent moisture stability even after soak water treatment are further confirmed by in-situ charge and discharge XRD and other advanced characterization techniques. It is worth noting that the electrode assembled with water-solution binder still displays a high capacity retention of 85.4% after 400 cycles at 1C. Our dual-function strategy provides valuable guidance for developing high-energy density and water-stable practical SIBs cathode materials.
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