Designing Air-Stable O3-Type Cathode Materials by Combined Structure Modulation for Na-Ion Batteries

化学 电负性 价(化学) 过渡金属 阴极 杂原子 密度泛函理论 离子 费米能级 化学物理 化学工程 计算化学 物理化学 戒指(化学) 有机化学 催化作用 工程类 电子 量子力学 物理
作者
Hu‐Rong Yao,Peng Fei Wang,Yue Gong,Jienan Zhang,Xiqian Yu,Lin Gu,Chuying Ouyang,Ya‐Xia Yin,Enyuan Hu,Xiao‐Qing Yang,Eli Stavitski,Yu‐Guo Guo,Li‐Jun Wan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (25): 8440-8443 被引量:299
标识
DOI:10.1021/jacs.7b05176
摘要

As promising high-capacity cathode materials for Na-ion batteries, O3-type Na-based metal oxides always suffer from their poor air stability originating from the spontaneous extraction of Na and oxidation of transition metals when exposed to air. Herein, a combined structure modulation is proposed to tackle concurrently the two handicaps via reducing Na layers spacing and simultaneously increasing valence state of transition metals. Guided by density functional theory calculations, we demonstrate such a modulation can be subtly realized through cosubstitution of one kind of heteroatom with comparable electronegativity and another one with substantially different Fermi level, by adjusting the structure of NaNi0.5Mn0.5O2 via Cu/Ti codoping. The as-obtained NaNi0.45Cu0.05Mn0.4Ti0.1O2 exhibits an increase of 20 times in stable air-exposure period and 9 times in capacity retention after 500 cycles, and even retains its structure and capacity after being soaked in water. Such a simple and effective structure modulation reveals a new avenue for high-performance O3-type cathodes and pushes the large-scale industrialization of Na-ion batteries a decisive step forward.
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