High-entropy P2/O3 biphasic cathode materials for wide-temperature rechargeable sodium-ion batteries

材料科学 离子 阴极 烧结 化学工程 氧化物 储能 功率密度 纳米技术 复合材料 热力学 物理化学 冶金 有机化学 工程类 功率(物理) 化学 物理
作者
Pengfei Zhou,Zhennan Che,Jing Liu,Jingkai Zhou,Xiaozhong Wu,Junying Weng,Jinping Zhao,Cao H,Jin Zhou,Fangyi Cheng
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:57: 618-627 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.03.007
摘要

Layered sodium manganese-based oxides are highly attractive cathode materials for sodium-ion batteries but suffer from limited initial coulombic efficiency (ICE) and poor structural stability. Herein, a high-entropy biphasic Na0.7Mn0.4Ni0.3Cu0.1Fe0.1Ti0.1O1.95F0.1 cathode material is reported to exhibit remarkable ICE, rate capability and cyclability. In-situ structural analysis during the preparation of cathode reveals tunable P2/O3 ratios by changing the sintering temperature. The synthesized high-entropy oxide with a P2/O3 ratio of 23:77 (wt%) delivers a high ICE of 97.6%, a considerable discharge capacity of 86.7 mAh g−1 at current density of 800 mA g−1, and respectable capacity retention in a wide temperature range from -40 to 50 °C. Additionally, full cell coupling Na0.7Mn0.4Ni0.3Cu0.1Fe0.1Ti0.1O1.95F0.1 and hard carbon exhibits an energy density of 268.3 Wh kg−1 at power density of 1172 W Kg−1 based on the mass of cathode. Combined experimental and computational investigations suggest that the as-prepared Na0.7Mn0.4Ni0.3Cu0.1Fe0.1Ti0.1O1.95F0.1 cathode favors reversible structural evolution, fast Na+ diffusion kinetics, and low energy barriers due to the unique P2/O3 biphasic structure and high-entropy effect. This study brings an in-depth insight into the design and preparation of high-entropy P2/O3 biphasic cathode to build advanced sodium-ion batteries.
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