Reaching the initial coulombic efficiency and structural stability limit of P2/O3 biphasic layered cathode for sodium-ion batteries

阴极 法拉第效率 电化学 材料科学 极限(数学) 离子 化学工程 化学 电极 物理化学 有机化学 冶金 数学 工程类 数学分析
作者
Jingkai Zhou,Jing Liu,Yanyan Li,Zhongjun Zhao,Pengfei Zhou,Xiaozhong Wu,Xiaonan Tang,Jin Zhou
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:638: 758-767 被引量:39
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.02.001
摘要

The P2/O3 biphasic layered oxide (NaxMn1-yMyO2, M: doping elements) is a cathode family with great promise for sodium-ion batteries (SIBs) because of their tunable electrochemical performance and low cost. However, the ultrahigh initial coulombic efficiency (ICE) and inferior cycling performance of P2/O3-NaxMn1-yMyO2 need to be improved for practical application. Herein, Ni/Cu co-doped P2/O3-Na0.75Mn1-yNiy-zCuzO2 materials are well-designed. The ultrahigh ICE can be restrained by altering the ratio of P2/O3 via adjusting Ni content, and the structural stability can be improved by Cu doping via enlarging parameter c of O3 phase and suppressing irreversible P2-O2 phase transformation. The optimal P2/O3-Na0.75Mn0.6Ni0.3Cu0.1O2 delivers a capacity of 142.4 with ICE of 107.8%, superior capacity retention in the temperature range of −40 ∼ 30 °C, and rate performance of 95.9 mAh g−1 at 1.2 A g−1. The overall storage mechanism of P2/O3-Na0.75Mn0.6Ni0.3Cu0.1O2 is revealed by the combination of electrochemical profiles, in situ X-ray diffraction, and first-principles calculations. The Na-ion full battery based on P2/O3-Na0.75Mn0.6Ni0.3Cu0.1O2 cathode can achieve a remarkable energy density of 306.9 Wh kg−1 with a power density of 695.5 W kg−1 at 200 mA g−1. This work may shed light on the rational design of high-performance P2/O3 biphasic layered cathode for SIBs.
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