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Low-cost layered oxide cathode involving cationic and anionic redox with a complete solid-solution sodium-storage behavior

氧化还原 阴极 电化学 阳离子聚合 材料科学 无机化学 阳极 化学工程 过渡金属 氧化物 固溶体 电极 化学 物理化学 催化作用 冶金 有机化学 高分子化学 工程类
作者
Yao Wang,Xudong Zhao,Junteng Jin,Qiuyu Shen,Ning Zhang,Xuanhui Qu,Yongchang Liu,Lifang Jiao
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:47: 44-50 被引量:126
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.01.047
摘要

Iron/manganese-based layered transition-metal oxides have attracted numerous attentions as promising cathodes for sodium-ion batteries (SIBs) due to their high theoretical capacities and abundant reserves, yet they still suffer from detrimental phase transitions and fast capacity fading. Herein, we realize a complete solid-solution sodiation/desodiation behavior over a wide voltage range of 1.5–4.3 V in a novel P2-Na0.75Ca0.05Li0.15Fe0.2Mn0.6O2 (P2-NCLFMO) cathode material, where cationic and anionic redox reactions synergistically provide charge compensation. Li ions in transition-metal (TM) sites not only trigger the oxygen redox activity, but also increase the Na content for stabilizing the P2-structure at high voltage and weaken the Jahn-Teller effect by diluting the Mn3+ concentration; Ca ions in Na sites serve as “pillars” to stabilize the layered structure and alleviate the lattice oxygen release. The complete solid-solution reaction in the wide voltage range ensures both rapid Na+ diffusivity and small volume variation. Therefore, the P2-NCLFMO cathode shows outstanding rate capability (183 mAh g−1 at 0.1C in comparison with 49.9 mAh g−1 at 20C) and respectable cycling performance (76% capacity retention after 150 cycles at 1C). Additionally, the prototype Na-ion full battery constructed by the P2-NCLFMO cathode and hard carbon anode delivers a promising energy density of 246.3 Wh kg−1. This work provides a new platform for achieving high-energy and long-life layered oxide cathodes involving cationic and anionic redox by eliminating the irreversible phase transitions.
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