A Novel Pentanary Metal Oxide Cathode with P2/O3 Biphasic Structure for High‐Performance Sodium‐Ion Batteries

材料科学 阴极 阳极 氧化物 溶解 化学工程 金属 钠离子电池 离子 掺杂剂 相(物质) 容量损失 电极 兴奋剂 光电子学 冶金 法拉第效率 物理化学 化学 有机化学 工程类 物理 量子力学
作者
Xinghui Liang,Yang‐Kook Sun
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (44) 被引量:127
标识
DOI:10.1002/adfm.202206154
摘要

Abstract The rapid capacity loss suffered by P2‐type Mn‐based layered oxide cathode materials, caused by deleterious high‐voltage phase transformations and the dissolution of active materials, greatly limits their application in large‐scale sodium‐ion battery installations. In this study, a novel P2/O3 biphasic cathode is developed using a multi‐element (Fe, Mg, and Li) co‐substitution strategy. The results of ex situ X‐ray diffraction analyses and the absence of significant voltage plateaus in the charge–discharge profiles of cells featuring the proposed cathode indicate that deleterious phase transformations and concomitant lattice mismatch in the high‐voltage region are effectively suppressed because of the topotactic intergrown structure of the resulting cathode. The optimized cathode also demonstrates improved structural stability and enhanced Na + diffusion kinetics, owing to the incorporation of stabilizing dopant pillars and suppressed metal‐ion dissolution. Hence, the resulting Na half cell demonstrates a high initial capacity of 170.5 mA h g −1 at 0.1 C and excellent rate capability (106.6 mA h g −1 at 10 C). Furthermore, the resulting Na full cell, featuring a hard carbon anode, displays excellent cycling stability (72.1% capacity retention after 400 cycles), demonstrating its practical viability. This study presents the design and optimization of high‐performance Mn‐based cathodes.
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