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High-Voltage Na0.76Ni0.25–x/2Mgx/2Mn0.75O2–xFx Cathode Improved by One-Step In Situ MgF2 Doping with Superior Low-Temperature Performance and Extra-Stable Air Stability

材料科学 氧化还原 阴极 分析化学(期刊) 电导率 电阻率和电导率 化学 冶金 物理化学 电气工程 色谱法 工程类
作者
S He,Xing Shen,Han Miao,Yanshun Liao,Lifeng Xu,Ni Yang,Yiming Guo,Bochen Li,Jie Shen,Cheng Zha,Yali Li,Meng Wang,Lian Wang,Yuefeng Su,Feng Wu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (17): 11375-11388 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c01263
摘要

P2-NaxMnO2 has garnered significant attention due to its favorable Na+ conductivity and structural stability for large-scale energy storage fields. However, achieving a balance between high energy density and extended cycling stability remains a challenge due to the Jahn–Teller distortion of Mn3+ and anionic activity above 4.1 V. Herein, we propose a one-step in situ MgF2 strategy to synthesize a P2-Na0.76Ni0.225Mg0.025Mn0.75O1.95F0.05 cathode with improved Na-storage performance and decent water/air stability. By partially substituting cost-effective Mg for Ni and incorporating extra F for O, the optimized material demonstrates both enhanced capacity and structure stability via promoting Ni2+/Ni4+ and oxygen redox activity. It delivers a high capacity of 132.9 mA h g–1 with an elevated working potential of ≈3.48 V and maintains ≈83.0% capacity retention after 150 cycles at 100 mA g–1 within 2–4.3 V, compared to the 114.9 mA h g–1 capacity and 3.32 V discharging potential of the undoped Na0.76Ni0.25Mn0.75O2. While increasing the charging voltage to 4.5 V, 133.1 mA h g–1 capacity and 3.55 V discharging potential (vs Na/Na+) were achieved with 72.8% capacity retention after 100 cycles, far beyond that of the pristine sample (123.7 mA h g–1, 3.45 V, and 43.8%@100 cycles). Moreover, exceptional low-temperature cycling stability is achieved, with 95.0% after 150 cycles. Finally, the Na-storage mechanism of samples employing various doping strategies was investigated using in situ EIS, in situ XRD, and ex situ XPS techniques.
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