Reversible Mn2+/Mn4+ double-electron redox in P3-type layer-structured sodium-ion cathode

氧化还原 阴极 氧气 化学 离子 电化学 材料科学 无机化学 化学工程 电极 物理化学 工程类 有机化学
作者
Jie Zeng,Jian Chun Bao,Ya Zhang,Xun‐Lu Li,Cui Ma,Rui-Jie Luo,Chong‐Yu Du,Xuan Xu,Zhe Mei,Zhe Qian,Yong‐Ning Zhou
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:89: 79-88 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.10.047
摘要

The balance between cationic redox and oxygen redox in layer-structured cathode materials is an important issue for sodium batteries to obtain high energy density and considerable cycle stability. Oxygen redox can contribute extra capacity to increase energy density, but results in lattice instability and capacity fading caused by lattice oxygen gliding and oxygen release. In this work, reversible Mn2+/Mn4+ redox is realized in a P3-Na0.65Li0.2Co0.05Mn0.75O2 cathode material with high specific capacity and structure stability via Co substitution. The contribution of oxygen redox is suppressed significantly by reversible Mn2+/Mn4+ redox without sacrificing capacity, thus reducing lattice oxygen release and improving the structure stability. Synchrotron X-ray techniques reveal that P3 phase is well maintained in a wide voltage window of 1.5–4.5 V vs. Na+/Na even at 10 C and after long-term cycling. It is disclosed that charge compensation from Co/Mn-ions contributes to the voltage region below 4.2 V and O-ions contribute to the whole voltage range. The synergistic contributions of Mn2+/Mn4+, Co2+/Co3+, and O2−/(On)2− redox in P3-Na0.65Li0.2Co0.05Mn0.75O2 lead to a high reversible capacity of 215.0 mA h g−1 at 0.1 C with considerable cycle stability. The strategy opens up new opportunities for the design of high capacity cathode materials for rechargeable batteries.
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