A High-Rate, Durable Cathode for Sodium-Ion Batteries: Sb-Doped O3-Type Ni/Mn-Based Layered Oxides

材料科学 阴极 电化学 兴奋剂 化学工程 氧化物 离子键合 纳米颗粒 扩散 相(物质) 离子 电极 无机化学 纳米技术 化学 冶金 物理化学 光电子学 工程类 物理 有机化学 热力学
作者
Tao Yuan,Siqing Li,Yuanyuan Sun,Jeng Han Wang,An-Jie Chen,Qinfeng Zheng,Yixiao Zhang,Liwei Chen,Gyutae Nam,Haiying Che,Jing Yang,Shiyou Zheng,Zi-Feng Ma,Meilin Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (11): 18058-18070 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c04702
摘要

O3-Type layered oxides are widely studied as cathodes for sodium-ion batteries (SIBs) due to their high theoretical capacities. However, their rate capability and durability are limited by tortuous Na+ diffusion channels and complicated phase evolution during Na+ extraction/insertion. Here we report our findings in unravelling the mechanism for dramatically enhancing the stability and rate capability of O3-NaNi0.5Mn0.5-xSbxO2 (NaNMS) by substitutional Sb doping, which can alter the coordination environment and chemical bonds of the transition metal (TM) ions in the structure, resulting in a more stable structure with wider Na+ transport channels. Furthermore, NaNMS nanoparticles are obtained by surface energy regulation during grain growth. The synergistic effect of Sb doping and nanostructuring greatly reduces the ionic migration energy barrier while increasing the reversibility of the structural evolution during repeated Na+ extraction/insertion. An optimized NaNMS-1 electrode delivers a reversible capacity of 212.3 mAh g-1 at 0.2 C and 74.5 mAh g-1 at 50 C with minimal capacity loss after 100 cycles at a low temperature of -20 °C. Such electrochemical performance is superior to most of the reported layered oxide cathodes used in rechargeable SIBs.
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