Synergistically stabilized O3-type layered oxide cathodes via phase regulation of multi-cation doping enable high-performance sodium-ion batteries

兴奋剂 阴极 氧化物 材料科学 离子 无机化学 相(物质) 化学工程 化学 光电子学 冶金 物理化学 有机化学 工程类
作者
Zibo Zhu,Yuxi Zou,Xiaoguang Fu,Ruochen Fang,Zhibo Zhao,Wenxi Guo,Yifei Sun,Shuo Zhai,Meidan Ye
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:127 (9) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0291206
摘要

O3-type layered oxides, as high-capacity cathode materials for sodium-ion batteries (SIBs), face practical limitations due to poor structural stability, high Na+ diffusion barriers, and inadequate rate performance. This work proposes a Ca/Cu/Ti co-doping strategy and systematically regulates the crystal phase among 24 types of layered oxides, from P2-, mixed P2/O3- to O3-type phase, by precisely controlling the Na content and adjusting the transition metal layer microenvironment. The optimum O3-type Na0.80Ca0.06Ni0.48Mn0.40Cu0.06Ti0.06O2 delivers a high initial capacity of 151.37 mAh g−1 at 1 C (120 mA g−1) with 102.56 mAh g−1 retained after 200 cycles, while maintaining 80.67% capacity retention after 100 cycles at 0.1 C. Mechanistic studies and theoretical calculations demonstrate that an optimal Ca/Cu/Ti doping improves the Na+ diffusion kinetics, where Na vacancies activate Cu/Ni redox activity to sustain capacity under Na+-deficient conditions, and effectively suppresses Mn activity, thereby simultaneously enhancing the cycling stability of cathodes. This work provides a wide range of component-phase regulation, achieving highly stable Na-deficient O3-type layered oxides through a multi-cation trace doping strategy for SIBs.
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