Homeostatic Solid Solution in Layered Transition-Metal Oxide Cathodes of Sodium-Ion Batteries

化学 阴极 氧化物 电化学 八面体 过渡金属 金属 固溶体 离子 化学工程 无机化学 电极 物理化学 催化作用 有机化学 工程类
作者
Meng Ren,Shuo Zhao,Suning Gao,Tong Zhang,Machuan Hou,Wei Zhang,Kun Feng,Jun Zhong,Weibo Hua,Sylvio Indris,Kai Zhang,Jun Chen,Fujun Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (1): 224-233 被引量:90
标识
DOI:10.1021/jacs.2c09725
摘要

Two-phase transformation reaction is ubiquitous in solid-state electrochemistry; however, it usually involves inferior structure rearrangement upon extraction and insertion of large-sized Na+, thus leading to severe local strain, cracks, and capacity decay in sodium-ion batteries (SIBs). Here, a homeostatic solid solution reaction is reported in the layered cathode material P'2-Na0.653Ni0.081Mn0.799Ti0.120O2 during sodiation and desodiation. It is induced by the synergistic incorporation of Ni and Ti for the reinforced O(2p)-Mn(3d-eg*) hybridization, which leads to mitigated Jahn-Teller distortion of MnO6 octahedra, contracted transition-metal oxide slabs, and enlarged Na layer spacings. The thermodynamically favorable solid solution pathway rewards the SIBs with excellent cycling stability (87.2% capacity retention after 500 cycles) and rate performance (100.5 mA h g-1 at 2500 mA g-1). The demonstrated reaction pathway will open a new avenue for rational designing of cathode materials for SIBs and beyond.
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