Component design and regulation to stabilize P3-type Mn-based layered cathodes for potassium-ion batteries

阴极 材料科学 电化学 相(物质) 离子 相变 化学工程 过渡金属 电极 冶金 化学 热力学 物理化学 催化作用 物理 工程类 有机化学 生物化学
作者
Ziyun Zhang,Hanghang Hui,Qian Chen,Zhiyuan Wang,Runguo Zheng,Hongyu Sun,Yanguo Liu
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:50 (4): 5974-5981 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2023.11.231
摘要

Mn-based layered oxides with high theoretical capacity are one of the most promising cathode materials for potassium-ion batteries. However, the Jahn-teller distortion of Mn3+ in Mn-based layered cathodes always brings about harmful disordered structure and irreversible phase transition, resulting in severe degradation of electrochemical performance. Herein, we synthesized P3–K0.5Mn0.6Ni0.2M0.2O2 (M = Fe, Co, FeCo) and systematically investigate the effect of component regulation on the layered structure and electrochemical properties. The P3–K0.5Mn0.6Ni0.2Co0.2O2 exhibits a discharge capacity of 73.77 mAh g−1, demonstrating an excellent capacity retention rate of 70.17 % after 120 cycles at 50 mA g−1. In-depth analysis reveals that P3–K0.5Mn0.6Ni0.2Co0.2O2 possesses a larger K+ layer spacing, making the insertion/extraction of potassium ions become much easier. Furthermore, the introduction of Co into the transition metal layer enhances the content of Mn4+, thereby inhibiting Jahn-Teller distortion and improving structural stability. Especially, the P3–K0.5Mn0.6Ni0.2Co0.2O2 shows a highly reversible single-phase solid solution reaction during the initial cycle, which means the detrimental phase transition of P3–O3 caused by Jahn-Teller effect is effectively suppressed. This work contributes to a better understanding of the effect of component design and regulation on the performance of the layered oxides cathode and provide insight into the design of high-performance cathode materials for potassium-ion batteries.
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