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A Ni/Co-free high-entropy layered cathode with suppressed phase transition and near-zero strain for high-voltage sodium-ion batteries

阴极 组态熵 材料科学 离子 电化学 相变 过渡金属 化学工程 电极 热力学 化学 物理化学 冶金 工程类 物理 催化作用 有机化学 生物化学
作者
Ziqing Wang,Lei Fang,Xiaoguang Fu,Shengfeng Zhang,Huabin Kong,Hongwei Chen,Fang Fu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:480: 148130-148130 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.148130
摘要

High-entropy layered oxides have emerged as a new class of cathode materials for sodium-ion batteries by providing infinite possibilities to tailor energy storage capabilities. However, owing to the lack of advanced high-entropy layered material, the influence of configurational entropy/compositional disorder on the high-voltage electrochemical performance of sodium-based layered cathode has seldom been explored. In this work, a Ni/Co-free high-entropy layered oxide P2-Na0.65Mn0.65Cu0.2Li0.06Mg0.015Ti0.015Al0.015Zr0.015Y0.015La0.015O2 (Mn-Cu-HEO) was prepared by stirring hydrothermal method, and investigated as a new cathode material for sodium-ion batteries. It is found that high configurational entropy and strong M−O configurations (M = Ti, Al, Zr, Y, and La) greatly stabilize the layered framework structure and MnO6 octahedral local structure, restraining the deleterious phase transition and large volume change during high-voltage cycling, thus resulting in high reversible cationic/anionic redox. In the meantime, disordered atomic arrangement in transition metal layer efficaciously mitigates Na+/vacancy ordering during de-/sodiation, enhancing the Na+ transport kinetics. Benefiting from the high-entropy stabilization effect, complex atomic arrangement, and multielemental composition, Mn-Cu-HEO displays splendid cyclic stability (87.2 % capacity retention after 500 cycles, very small change in cell volume (0.53 %) after 100 cycles), excellent rate capability (55.5 mAh g−1 at 10C), and a usable reversible capacity of 85.1 mAh g−1 at 1C in high-voltage range of 2.0–4.5 V. This work expands the horizons of high-entropy layered materials, providing new insight in the design and construction of highly stable and high-voltage sodium ion host.
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