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Synergistically enhanced structural, thermal and interfacial stability of K0.45MnO2 via tailoring the local structure for high-energy and high-power potassium-ion batteries

材料科学 阴极 电化学 结构稳定性 热稳定性 八面体 电解质 离子 电池(电) 化学工程 纳米技术 结晶学 晶体结构 电极 化学 功率(物理) 热力学 物理化学 工程类 有机化学 物理 结构工程
作者
Yan Huang,Xinyuan Zhang,Hezhe Lin,Zhixuan Wei,Yi Zeng,Xin Ge,Wei Zhang,Sheng Wang,Jin Xu,Zexiang Shen,Fei Du
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:453: 139571-139571 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.139571
摘要

• The Jahn-Teller distortion of Mn 3+ has been suppressed via microstructural engineering by Al substitution. • High bonding strength between Al and O is found to further improve structural and thermal stability. • K 0.45 Mn 0.9 Al 0.1 O 2 cathode demonstrates enhanced long-term stability and superior safety in comparison with K 0.45 MnO 2 . Mn-based layered oxides are widely considered as cost-effective cathodes for K-ion batteries (KIBs), whereas the local lattice distortion induced by the Jahn-Teller effect of Mn 3+ usually results in limited capacity and unsatisfactory cycling lives. Herein, a new P3-type K 0.45 Mn 0.9 Al 0.1 O 2 material is designed via riveting electrochemical inactive Al 3+ in the octahedral Mn 3+ sites, which is experimentally proved to play a key role in suppressing misfit dislocations at the atomic scale, enlarging the spacing of K + layers, relieving exothermic phase transition at elevated temperature and helping to form a stable and uniform cathode electrolyte interphase (CEI) layer synergistically. Thanks to these inherent merits, K 0.45 Mn 0.9 Al 0.1 O 2 delivers a high specific capacity of 152 mAh g -1 at 20 mA g -1 and excellent cyclic performance with capacity retention of 67 % over 1000 cycles, much superior to K 0.45 MnO 2 . Impressively, the full battery achieves a high energy (291 Wh kg −1 ) and power (843 W kg −1 ) densities over state-of-the-art layered cathodes for KIBs. This study not only provides a facile and effective strategy to jointly enhance the structural, thermal and interfacial stability of Mn-based layered cathodes, but also the underlying mechanism revealed here sheds light on designing novel cathodes via tailoring the local structural environments.
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