Introduction of High‐Valent Metal in Transition Metal Layer as a Structural Reinforcement for a O3‐Type NaCrO 2 Sodium‐Ion Battery Cathode

阴极 材料科学 氧化物 过渡金属 歧化 电池(电) 金属 图层(电子) 结构稳定性 化学工程 过渡层 过电位 钠离子电池 复合材料 相变 阳极 离子 压力(语言学) 电压 冶金 相容性(地球化学) 无机化学 微观结构 相(物质)
作者
Gwangeon Oh,Jun Tae Kim,Heesung Shin,Shivam Kansara,Hyokyeong Kang,Jun Pyo Son,Yoon Seok Jung,Dominic Bresser,Shiyu Li,Hun‐Gi Jung,Jang‐Yeon Hwang
出处
期刊:Small structures [Wiley]
卷期号:6 (11) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/sstr.202500400
摘要

O3‐type layered sodium chromium oxide (O3‐NaCrO 2 ) is a promising cathode material for cost‐effective and practical sodium‐ion batteries (SIBs). However, achieving a high energy density in SIBs with NaCrO 2 as the cathode remains challenging owing to chromium migration and irreversible phase transition at voltages above 3.6 V (vs Na/Na + ). Herein, a substantially improved high‐voltage stability of O3‐NaCrO 2 (O3‐NCO) as a cathode through the implementation of high‐valent Nb 5+ substitution strategies is reported. The strong interaction between Nb 5+ and O 2− ions alleviates structural stress during repeated charge and discharge processes. The introduced Nb 5+ enhances the disorder in the transition metal layer and structural stability, increasing the reversibility by suppressing Cr disproportionation reactions and irreversible Cr migration. Additionally, Nb 5+ creates Na + /vacancies in the Na layer owing to charge compensation, thereby facilitating the Na‐ion diffusion kinetics. Consequently, 3 mol% of Nb‐substituted O3‐Na 0.94 Cr 0.97 Nb 0.03 O 2 cathode demonstrates superior reversible capacity, cycle life, and rate capability. Furthermore, the high‐valent Nb substitution strategy improves water stability and shows good compatibility with all‐solid‐state battery systems, highlighting its excellent practical applicability.
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