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Critical Role of Titanium in O3-Type Layered Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries

材料科学 阴极 电化学 取代基 离子 氧气 结构稳定性 化学工程 密度泛函理论 纳米技术 电极 冶金 物理化学 立体化学 化学 有机化学 计算化学 工程类 结构工程
作者
Taesoon Hwang,Jung-Hyun Lee,Seung Hyun Choi,Rye-Gyeong Oh,Duho Kim,Maenghyo Cho,Woosuk Cho,Min Park
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (34): 30894-30901 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acsami.9b08987
摘要

Recently, the substitution of inactive elements has been reported as a promising strategy for improving the structural stability and electrochemical performance of layered cathode materials for sodium-ion batteries (SIBs). In this regard, we investigated the positive effects of inactive Ti substitution into O3-type NaFe0.25Ni0.25Mn0.5O2 based on first-principles calculations and electrochemical experiments. After Ti substitution, Na[Ti0.03(Fe0.25Ni0.25Mn0.5)0.97]O2 exhibits improved capacity retention and rate capability compared with Ti-free NaFe0.25Ni0.25Mn0.5O2. Such an improvement is primarily attributed to the enhanced structural stability and lowered activation energy for Na+ migration, which is induced by Ti substitution in the host structure. Based on first-principles calculations of the average net charges and partial densities of states, we suggest that Ti substitution effectively enhances the binding between transition metals and oxygen by increasing the oxygen electron density, which in turn lowers the energy barrier of Na+ migration, leading to a notable enhancement in the rate capability of Na[Ti0.03(Fe0.25Ni0.25Mn0.5)0.97]O2. Compared with other inactive elements (e.g., Al and Mg), Ti is a more suitable substituent for improving the electrochemical properties of layered cathode materials because of its large total charge variation contributing to capacity. The results of this study provide practical guidelines for developing highly reliable layered cathode materials for SIBs.
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