Copper and Zirconium Codoped O3-Type Sodium Iron and Manganese Oxide as the Cobalt/Nickel-Free High-Capacity and Air-Stable Cathode for Sodium-Ion Batteries

材料科学 电化学 阴极 化学工程 无机化学 扩散 电极 冶金 物理化学 化学 工程类 物理 热力学
作者
Yamin Zheng,Xiao-Bao Huang,Xiao‐Meng Meng,Shoudong Xu,Liang Chen,Shibin Liu,Ding Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (38): 45528-45537 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsami.1c12684
摘要

Considering the abundance of iron and manganese within the Earth’s crust, the cathode O3-NaFe0.5Mn0.5O2 has shown great potential for large-scale energy storage. Following the strategy of introducing specific heteroelements to optimize the structural stability for energy storage, the work has obtained an O3-type NaFe0.4Mn0.49Cu0.1Zr0.01O2 that exhibits enhanced electrochemical performance and air stability. It displays an initial reversible capacity of 147.5 mAh g–1 at 0.1C between 2 and 4.1 V, a capacity retention ratio exceeding 69.6% after 100 cycles at 0.2C, and a discharge capacity of 70.8 mAh g–1 at a high rate of 5C, which is superior to that of O3-NaFe0.5Mn0.5O2. The codoping of Cu/Zr reserves the layered O3 structure and enlarges the interlayer spacing, promoting the diffusion of Na+. In addition, the structural stability and air stability observed by Cu-doping is well maintained via the incorporation of extra Zr favoring a highly reversible phase conversion process. Thus, this work has demonstrated an efficient strategy for developing cobalt/nickel-free high-capacity and air-stable cathodes for sodium-ion batteries.
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