Mg Substitution Induced TM/Vacancy Disordering and Enhanced Structural Stability in Layered Oxide Cathode Materials

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作者
Luyao Wang,Chu Zhang,Lu Yang,Shuwei Li,Hang Chu,Guangmao Li,Ying Meng,Haoyu Zhuang,Yurui Gao,Zhiwei Hu,Jin‐Ming Chen,Shu‐Chih Haw,Cheng‐Wei Kao,Ting‐Shan Chan,Xi Shen,Zhaoxiang Wang,Richeng Yu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (9): 11756-11764 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsami.2c21608
摘要

Anionic redox is an effective way to increase the capacity of the cathode materials. Na2Mn3O7 [Na4/7[Mn6/7□1/7]O2, □ for the transition metal (TM) vacancies] with native and ordered TM vacancies can conduct a reversible oxygen redox and be a promising high-energy cathode material for sodium-ion batteries (SIBs). However, its phase transition at low potentials (∼1.5 V vs Na+/Na) induces potential decays. Herein, magnesium (Mg) is doped on the TM vacancies to form a disordered Mn/Mg/□ arrangement in the TM layer. The Mg substitution suppresses the oxygen oxidation at ∼4.2 V by reducing the number of the Na-O-□ configurations. Meanwhile, this flexible disordering structure inhibits the generation of the dissolvable Mn2+ ions and mitigates the phase transition at ∼1.6 V. Therefore, the Mg doping improves the structural stability and its cycling performance in 1.5-4.5 V. The disordering arrangement endows Na0.49Mn0.86Mg0.06□0.08O2 with a higher Na+ diffusivity and improved rate performance. Our study reveals that oxygen oxidation is highly dependent on the ordering/disordering arrangements in the cathode materials. This work provides insights into the balance of anionic and cationic redox for enhancing the structural stability and electrochemical performance in the SIBs.
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