High-entropy lattice pinning effect enables long lifespan and air stability in O3-type sodium-ion battery cathodes

阴极 材料科学 兴奋剂 结构精修 相变 电池(电) 氧化物 扩散 相(物质) 结构稳定性 过渡金属 工作(物理) 格子(音乐) 化学物理 图层(电子) 光电子学 金属 体积热力学 化学工程 储能 晶格常数
作者
Qingling Guo,Lina Yang,Nazir Ahmad,Shanshan Ye,Yuting Ruan,Yulian Hu,Wenxiu He,Liang Shi,Yongqiang Zhang,Jianguo Lu,Genqiang Zhang
出处
期刊: [Tsinghua University Press]
标识
DOI:10.26599/nre.2026.9120231
摘要

O3-type NaNi0.4Fe0.2Mn0.4O2 cathodes suffer from harmful phase transitions and large volume strains, leading to sluggish Na+ kinetics and poor cyclability. To address these issues, we propose dual-site doping via a high-entropy strategy, O3-Na0.96Ca0.02Ni0.27Fe0.2Mn0.35Al0.02Cu0.1Ti0.05O2 (NCNFMACTO) cathode. Based on the Rietveld refinement of X-ray diffraction (XRD) data and DFT calculations, it is inferred that Ca2+ doping occupies the sodium sites, generating an “anchoring effect” that stabilizes the transition metal layer during the desodiation process. Concurrently, doping the transition-metal layer with multi-principal elements (Al, Cu, Ti) induces a lattice-regulating effect. This reinforces TM-O covalency and impedes slab gliding, thereby suppressing detrimental phase evolution and minimizing volume change. As a result, the material undergoes a reversible O3-P3-O3 phase transition with only 1.1% volumetric strain, significantly enhancing Na+ diffusion kinetics. The doped cathode exhibits remarkable cycling stability (91% capacity retention after 200 cycles at 1C and 80.1% capacity retention after 1000 cycles at 5C) and excellent air stability. Moreover, the NCNFMACTO//HC full cell maintains 85.2% capacity retention over 400 cycles at 1C. The full cell demonstrates an excellent energy density of 264.87 Wh·kg–1 at 44.42 W·kg–1, fully demonstrating its feasibility. This work provides key insights for designing high-stability sodium-layered oxide cathodes.
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