Cation–Oxygen Bond Covalency: A Common Thread and a Major Influence toward Air/Water‐Stability and Electrochemical Behavior of “Layered” Na–Transition‐Metal‐Oxide‐Based Cathode Materials

电化学 材料科学 阴极 氧化物 过渡金属 金属 离子 分析化学(期刊) 电极 化学 物理化学 冶金 催化作用 有机化学
作者
Bachu Sravan Kumar,Anagha Pradeep,Velaga Srihari,H. K. Poswal,Rahul Kumar,Amardeep Amardeep,Abhijit Chatterjee,Amartya Mukhopadhyay
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (19) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/aenm.202204407
摘要

Abstract This work evolves a universal strategy, toward simultaneously addressing the air/water‐instability and structural‐cum‐electrochemical instability of “layered” Na–transition‐metal (T M )–oxide‐based cathode materials for Na‐ion batteries, by way of varying the “interslab” spacing via tuning the T M O bond covalency. In this regard, model O3‐structured NaT M oxides, with varied “charge‐to‐size” ratio of the cation‐combination (viz., T M ‐ + non‐T M ‐ions) in the T M ‐layer [i.e., ( C : S )T M ], are designed and subjected to structural characterizations, density‐functional‐theory‐based studies, air/water‐exposure studies, electrochemical cycling, and operando investigations. Such studies have yielded a clear correlation‐cum‐trend concerning lower ( C : S )T M => lower T M O covalency => higher effective negative charge on O‐ion (which gets shared by both T M ‐ and Na‐ions) => stronger‐cum‐shorter NaO bond => reduced “interslab” spacing => lower Na‐transport kinetics => suppressed spontaneous Na‐extraction upon air/water‐exposure => concomitant vastly improved air/water‐stability => suppressed/delayed O3 → P3 transformation during electrochemical Na‐extraction (i.e., charging) => concomitant vastly improved electrochemical cyclic stability. Furthermore, a critical d (ONaO) / d (OTMO) of ≈1.38 for the O3 structure, corresponding to the initiation of O3 → P3 transformation during desodiation/charging is revealed. NaT M O 2 s having higher initial ( C : S )T M s reach this critical d (ONaO) / d (OTMO) earlier (i.e., upon minimized Na‐removal) and, thus, suffer from more transformations during continued desodiation/charge, resulting in structural‐cum‐electrochemical instability.
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