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Moisture-Driven Degradation Pathways in Prussian White Cathode Material for Sodium-Ion Batteries

普鲁士蓝 材料科学 水分 化学工程 电化学 降级(电信) 阴极 容量损失 无机化学 电极 复合材料 化学 物理化学 计算机科学 电信 工程类
作者
Dickson O. Ojwang,Mikael Svensson,Christian Njel,Ronnie Mogensen,Ashok S. Menon,Tore Ericsson,Lennart Häggström,Julia Maibach,William R. Brant
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (8): 10054-10063 被引量:64
标识
DOI:10.1021/acsami.0c22032
摘要

The high-theoretical-capacity (∼170 mAh/g) Prussian white (PW), NaxFe[Fe(CN)6]y·nH2O, is one of the most promising candidates for Na-ion batteries on the cusp of commercialization. However, it has limitations such as high variability of reported stable practical capacity and cycling stability. A key factor that has been identified to affect the performance of PW is water content in the structure. However, the impact of airborne moisture exposure on the electrochemical performance of PW and the chemical mechanisms leading to performance decay have not yet been explored. Herein, we for the first time systematically studied the influence of humidity on the structural and electrochemical properties of monoclinic hydrated (M-PW) and rhombohedral dehydrated (R-PW) Prussian white. It is identified that moisture-driven capacity fading proceeds via two steps, first by sodium from the bulk material reacting with moisture at the surface to form sodium hydroxide and partial oxidation of Fe2+ to Fe3+. The sodium hydroxide creates a basic environment at the surface of the PW particles, leading to decomposition to Na4[Fe(CN)6] and iron oxides. Although the first process leads to loss of capacity, which can be reversed, the second stage of degradation is irreversible. Over time, both processes lead to the formation of a passivating surface layer, which prevents both reversible and irreversible capacity losses. This study thus presents a significant step toward understanding the large performance variations presented in the literature for PW. From this study, strategies aimed at limiting moisture-driven degradation can be designed and their efficacy assessed.

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