A novel air‐stable O3‐type layered oxide cathode material with low Ni content for sodium‐ion batteries

电化学 离子 阴极 阳极 材料科学 化学 电池(电) 化学工程 电极 冶金 工程类 物理化学 有机化学 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Şaban Patat,Ayşe Şahin,Yusuf Taş,Ferhat Şanlı,Yakup Yılmaz,Tayfur Öztürk
出处
期刊:International Journal of Energy Research [Wiley]
卷期号:46 (15): 22025-22037 被引量:11
标识
DOI:10.1002/er.8230
摘要

A novel O3-NaMn0.42Fe0.42Ni0.17O2 cathode material for sodium-ion batteries is synthesized, for the first time, by a co-precipitation method followed by solid-state reaction. The effect of Ni2+, Cu2+ and Ca2+ substitution for Mn4+ and Fe3+ on the structural stability, rate capability and cycling performance of the cathode material are examined. Chemical titration results and powder X-ray diffraction patterns indicate that the substitution of Ni2+, Cu2+ and Ca2+ for Fe3+ and Mn4+ can inhibit the reaction of Na+ ions in the structure of O3-NaMn0.33Fe0.33Ni0.21Cu0.08Ca0.04O2 with air. The Ni2+, Cu2+ and Ca2+-substituted O3-NaMn0.33Fe0.33Ni0.21Cu0.08Ca0.04O2 cathode material show a higher capacity and better cycling stability than that of O3-NaMn0.42Fe0.42Ni0.17O2, indicating that a small amount of Ni2+, Cu2+ and Ca2+ substitution can improve the structure/air stability and the electrochemical performance. When O3-NaMn0.33Fe0.33Ni0.21Cu0.08Ca0.04O2 cathode material is combined with the hard carbon anode, a full cell gives 220 Wh kg(-1) energy density and 100% capacity retention after 56 charge/discharge cycles at 0.5C. The O3-NaMn0.33Fe0.33Ni0.21Cu0.08Ca0.04O2 can be thought of as a potential cathode active material to encourage progress toward sodium-ion battery commercialization due to the high industrial applicability of the synthesis process and good electrochemical performance. Prime Novelty Statement A novel O3-NaMn0.42Fe0.42Ni0.17O2 cathode material for sod um on batter es is synthesized for the first time by a co-precipitation method with subsequent solid-state reaction. The substitution of Ni2+, Cu2+ and Ca2+ for Fe3+ and Mn4+ improves the air stability and electrochemical performance of O3-NaMn0.33Fe0.33Ni0.21Cu0.08Ca0.04O2 cathode material. When O3-NaMn0.33Fe0.33Ni0.21Cu0.08Ca0.04O2 cathode material couples with the hard carbon anode, a full cell gives an energy density of 220 Wh kg(-1) and the capacity retention of 100% after 56 charge/discharge cycles.
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