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Regulating Local Mn─O Coordination to Suppress the Intrinsic Anti‐Site Defects in Mn‐Based Phosphate Cathodes

材料科学 八面体 阴极 离子 结晶学 金属 限制 磁滞 磷酸盐 氧化还原 电化学 过渡金属 多面体 无机化学 氧化态 晶体结构
作者
Xusheng Zhang,Yang Huang,Xiaowei Li,Feng Yan,Zhao Chen,Zhihao Zhang,Zilong Lv,Lilu Liu,Qiang Li,Weixiang Li,Liwei JIANG,Ya-Xia Yin,Yong Sheng Hu,Junmei Zhao
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202505250
摘要

Abstract The Mn‐based phosphate Na 3+2x Mn 1+x Ti 1‐x (PO 4 ) 3 cathodes have attracted widespread attention for Na‐ion batteries owing to the abundant Mn resource and high Mn 2+ /Mn 3+ /Mn 4+ redox potential. However, they suffer from high voltage hysteresis and low reversible capacity at 2.5–4.2 V (60–80 mAh g−1) due to intrinsic anti‐site defects of Mn 2+ occupying Na2 vacancies. Although metal ion substitutions (e.g., V 3+ ) can reduce intrinsic anti‐site defects and improve reversible capacity (80–110 mAh g −1 ), the underlying mechanism remains not well‐understood, limiting further improvement of the reversible capacity. Here, five metal‐ion substitution cathodes: Na 3.4 Mn 1.15 Ti 0.75 M 0.1 (PO 4 ) 3 (M = Fe 3+ , Al 3+ , V 3+ , Cr 3+ , and Ga 3+ ) are systematically studied, among which only two metal ions (V 3+ and Cr 3+ ) can remarkably reduce intrinsic Mn 2+ /Na2 anti‐site defect and voltage hysteresis. The revealed mechanism is that V 3+ and Cr 3+ substitutions tend to form a MnO 5 polyhedron with the less Mn─O coordination numbers under the assumption of Mn 2+ occupying the Na2 vacancy, compared to the MnO 6 octahedron in other metal‐ion substitutions (Fe 3+ , Al 3+ , and Ga 3+ ). The formation of MnO 5 polyhedron indicates an energetically more unfavorable state for Mn 2+ /Na2 anti‐site defects. The designed Na 3.5 Mn 1.15 Ti 0.65 V 0.1 Cr 0.1 (PO 4 ) 3 cathode exhibits the lowest ratio of intrinsic anti‐site defect (0.28%) and achieves a high reversible capacity (120.7 mAh g −1 ) and high energy density (431.6 Wh kg −1 ), with superior cycling stability (93.2% retention after 2000 cycles at 5 C). This work offers valuable insights for designing high‐capacity and high‐energy Mn‐based Na‐ion cathodes.
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