K/Zn dual-site doping toward ultralow-strain P2-type Ni/Mn-based cathode materials for sodium-ion batteries

阴极 材料科学 兴奋剂 电导率 离子 过渡金属 分析化学(期刊) 扩散 纳米技术 化学 光电子学 热力学 物理化学 物理 催化作用 有机化学 生物化学 色谱法
作者
Yao Lu,Ming Song,Jieyou Huang,Le Zhang,Binyu Zhao,Wenwei Wu,Xuehang Wu
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier]
卷期号:77: 109933-109933
标识
DOI:10.1016/j.est.2023.109933
摘要

Charging P2-type Na0.66Ni0.33Mn0.67O2 (NNM) to a high upper cut-off voltage of 4.3 V (vs. Na+/Na) can yield a competitive discharge voltage (3.6 V-class) and capacity. However, achieving stable cycling for NNM under this condition remains challenging owing to an unfavorable phase transition and a large lattice-volume change. Herein, a dual-site doping strategy is used to simultaneously realize a pinning effect at the Na and transition metal sites. Incorporating pinned K+ and Zn2+ ions considerably enhances the structural stability of NNM, affording a complete single-phase reaction with ultralow strain (only 0.54 % variation in volume) during Na+ insertion/extraction. The synergistic contributions of dual-site doping to the enhanced electronic conductivity, lowered Na+ migration barrier, and increased Na+ diffusion coefficients are confirmed via theoretical calculations. Consequently, the K+/Zn2+ dual-site-doped Na0.63K0.03Ni0.26Zn0.07Mn0.67O2 delivers satisfactory discharge capacities of 118.6 and 63.2 mAh g−1 at 10 and 2000 mA g−1, respectively, and achieves an excellent capacity retention of 81.2 % after 200 cycles at 500 mA g−1. This study provides a promising method to strengthen the stability of the Ni − Mn-based layered framework and optimize other high-voltage and high-capacity layered oxide cathode materials.
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