Ribbon-Ordered Superlattice Enables Reversible Anion Redox and Stable High-Voltage Na-Ion Battery Cathodes

化学 丝带 离子 氧化还原 超晶格 阴极 电池(电) 结晶学 无机化学 光电子学 物理化学 有机化学 物理 量子力学 功率(物理) 数学 几何学
作者
Yang Yu,Qianjiang Mao,Deniz Wong,Rui Gao,Lirong Zheng,Wenyun Yang,Jinbo Yang,Nian Zhang,Zeyu Li,Christian Schulz,Xiangfeng Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (32): 22220-22235 被引量:57
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02782
摘要

High-voltage layered oxide cathodes attract great attention for sodium-ion batteries (SIBs) due to the potential high energy density, but high voltage usually leads to rapid capacity decay. Herein, a stable high-voltage NaLi0.1Ni0.35Mn0.3Ti0.25O2 cathode with a ribbon-ordered superlattice is reported, and the intrinsic coupling mechanism between structure evolution and the anion redox reaction (ARR) is revealed. Li introduction constructs a special Li-O-Na configuration activating reversible nonbonded O 2p (|O2p)-type ARR and regulates the structure evolution way, enabling the reversible Li ions out-of-layer migration instead of the irreversible transition metal ions out-of-layer migration. The reversible structure evolution enhances the reversibility of the bonded O 2p (O2p)-type ARR and inhibits the generation of oxygen dimers, thus suppressing the irreversible molecular oxygen (O2)-type ARR. After the structure regulation, the structure evolution becomes reversible, |O2p-type ARR is activated, O2p-type ARR becomes stable, and O2-type ARR is inhibited, which largely suppresses the capacity degradation and voltage decay. The discharge capacity is increased from 154 to 168 mA h g-1, the capacity retention after 200 cycles significantly increases from 35 to 84%, and the voltage retention increases from 78 to 93%. This study presents some guidance for the design of high-voltage, O3-type oxide cathodes for high-performance SIBs.
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