P3 Na0.9Ni0.5Mn0.5O2 Cathode Material for Sodium Ion Batteries

电化学 阴极 法拉第效率 材料科学 离子 分析化学(期刊) 相(物质) 氧化还原 电极 化学 物理化学 冶金 色谱法 有机化学
作者
Tim Risthaus,Lifang Chen,Jun Wang,Jinke Li,Dong Zhou,Li Zhang,De Ning,Xia Cao,Xin Zhang,G. Schumacher,Martin Winter,Elie Paillard,Jie Li
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:31 (15): 5376-5383 被引量:110
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.8b03270
摘要

NaxNi0.5Mn0.5O2 (0.5 ≤ x ≤ 1.2)-layered oxides have been prepared and studied as cathode materials in sodium metal cells. The influence of sodium content on the structure and electrochemical performance of NaxNi0.5Mn0.5O2 (0.5 ≤ x ≤ 1.2) have been investigated. When x is between 0.5 and 0.8, the materials crystallize in the P2 phase. For x in the range of 0.9-1.2, novel P3-type materials have been obtained. Of great interest is the P3-type material with the specific composition Na0.9Ni0.5Mn0.5O2 because it can deliver high discharge capacities (141 and 102 mA h g-1 at 10 and 100 mA g-1, respectively). Compared to P2 NaxNi0.5Mn0.5O2 (0.5 ≤ x ≤ 0.8) materials, it exhibits much better cycling stability (78% capacity retention after 500 cycles in the voltage range of 1.5-4.5 V) and an initial Coulombic efficiency of ∼100%, which is more desirable for practical use. In addition, ex situ X-ray absorption near-edge structure spectra reveal that the redox reaction of nickel ions predominantly contributes to the capacity. Operando X-ray diffraction demonstrates reversible phase changes during the charge/discharge. Density functional theory calculations indicate that P3 NaNi0.5Mn0.5O2 shows a low Na+-diffusion barrier of 237 meV. This unexplored class of P3 cathode materials induces new perspectives for the development of layered cathode materials and more energy-dense sodium ion batteries.
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