Using High Valence Nb to Regulate the Superlattice Structure for the Na-Ion Layered Oxide Cathode with Superior Electrochemical Performance

阴极 超晶格 材料科学 电化学 氧化物 价(化学) 电压 涂层 离子 空位缺陷 光电子学 纳米技术 化学 电极 结晶学 冶金 电气工程 物理化学 有机化学 工程类
作者
Jie Li,Xiaoxu Yang,Yifei Wang,Yan Liu,Xingliang Liu,Zhidan Diao,Xindong Wang,Jianling Li,Jianling Li,Jianling Li
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:39 (1): 951-963
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.4c05136
摘要

It is possible to enhance energy density in sodium-ion batteries by increasing the cutoff voltage, however, high voltage operation brings challenges to the performance of cathode materials. The integration of honeycomb-like superlattice structures into cathode materials has the potential to enhance high-voltage performance; yet, the risk of irreparable structural damage occurring under extreme voltage conditions cannot be ignored. This study introduces a high valence element, Nb, in an innovative manner, using its induced elemental segregation effect, to implement a modification strategy for P2–Na0.80Li0.13Ni0.20Mn0.67–xNbxO2 superlattice structure cathodes. This strategy includes surface alkali treatment, coating layer design, sodium vacancy control, and crystal structure improvement to develop an enhanced performance cathode with a voltage range of 1.5–4.5 V. It is noteworthy that doping bring about the production of C2/m symmetric Na3NbO4 compounds with distinctive [NbO5] and [NaO5] five-coordination structures. This structures not only enhanced interfacial stability but also improves the ion transfer efficiency. The strategy increases the initial discharge specific capacity to 196.3 mA h g–1, facilitating the formation of a stable lithium manganese superlattice structure cathode capable of functioning across a broad voltage range. After 100 cycles at 0.5 C, the capacity retention rate is 88.3%, and very good rate performance (93.1 mA h g–1 at a high rate of 5 C). This study presents a new design for cathodes in sodium-ion batteries.
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