Co/Al Co-Substituted Layered Manganese-Based Oxide Cathode for Stable and High-Rate Potassium-Ion Batteries

阴极 插层(化学) 材料科学 电化学 扩散 离子 氧化物 相(物质) 电极 无机化学 化学工程 化学 冶金 物理化学 有机化学 热力学 物理 工程类
作者
Junxian Li,Wenli Shu,Guangwan Zhang,Jiashen Meng,Chunhua Han,Xiujuan Wei,Xuanpeng Wang
出处
期刊:Materials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:17 (6): 1277-1277 被引量:2
标识
DOI:10.3390/ma17061277
摘要

Manganese-based layered oxides are promising cathode materials for potassium-ion batteries (PIBs) due to their low cost and high theoretical energy density. However, the Jahn-Teller effect of Mn3+ and sluggish diffusion kinetics lead to rapid electrode deterioration and a poor rate performance, greatly limiting their practical application. Here, we report a Co/Al co-substitution strategy to construct a P3-type K0.45Mn0.7Co0.2Al0.1O2 cathode material, where Co3+ and Al3+ ions occupy Mn3+ sites. This effectively suppresses the Jahn-Teller distortion and alleviates the severe phase transition during K+ intercalation/de-intercalation processes. In addition, the Co element contributes to K+ diffusion, while Al stabilizes the layer structure through strong Al-O bonds. As a result, the K0.45Mn0.7Co0.2Al0.1O2 cathode exhibits high capacities of 111 mAh g−1 and 81 mAh g−1 at 0.05 A g−1 and 1 A g−1, respectively. It also demonstrates a capacity retention of 71.6% after 500 cycles at 1 A g−1. Compared to the pristine K0.45MnO2, the K0.45Mn0.7Co0.2Al0.1O2 significantly alleviates severe phase transition, providing a more stable and effective pathway for K+ transport, as investigated by in situ X-ray diffraction. The synergistic effect of Co/Al co-substitution significantly enhances the structural stability and electrochemical performance, contributing to the development of new Mn-based cathode materials for PIBs.
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