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Optimizing Electronic Structure to Achieve High‐Capacity and Long‐Life Layered Oxide Cathode for Potassium‐Ion Batteries

阴极 材料科学 氧化物 离子 光电子学 纳米技术 电气工程 化学 冶金 工程类 有机化学
作者
Haowei Tang,Zhiyu Lu,Zeyu Yuan,Liping Duan,Yingna Zhang,Xiaosi Zhou,Yue Lin,Haoshen Zhou
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (42): e202511899-e202511899 被引量:9
标识
DOI:10.1002/anie.202511899
摘要

Layered Mn-based oxide cathodes demonstrate great potential for application in potassium-ion batteries. However, issues such as Jahn-Teller distortion of Mn and significant volume changes during K+ intercalation/removal severely limit their practical use. To address these challenges, we successfully synthesize the cathode material K0.7Fe0.3Ni0.15Mg0.03Ti0.02Mn0.5O2 (KFNMTMO) by introducing low-valence ions and incorporating active metal elements. The results show that the introduction of low-valence ions raises the average oxidation state of Mn to approximately +4, causing the projected density of states of Mn to shift above the Fermi level. This effectively suppresses the redox activity of Mn, making it primarily responsible for stabilizing layered structure. Meanwhile, electronic structure optimization considerably activates the redox couples of other active elements such as Ni2+/Ni3+ and Fe3+/Fe4+. This synergistic effect not only alleviates Jahn-Teller distortion but also, through the addition of the less electronegative Mg2+ ions, markedly enhances the orbital hybridization between transition metals and oxygen atoms, further improving the stability of crystal lattice. Consequently, the KFNMTMO cathode exhibits excellent electrochemical performance, achieving a reversible capacity of 114.3 mAh g-1 at 20 mA g-1, an energy density of 328 Wh kg-1, and remarkable cycling stability with a capacity retention of 81.5% after 800 cycles.
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