Unraveling 3d Transition Metal (Ni, Co, Mn, Fe, Cr, V) Ions Migration in Layered Oxide Cathodes: A Pathway to Superior Li‐Ion and Na‐Ion Battery Cathodes

材料科学 阴极 离子 过渡金属 电化学 电池(电) 氧化物 离子半径 化学物理 纳米技术 电极 物理化学 化学 冶金 物理 热力学 催化作用 功率(物理) 有机化学 生物化学
作者
Shengnan He,Rui Zhang,Xi Han,Yufa Zhou,Chao Zheng,Chenchen Li,Xu Xue,Yanjun Chen,Zhijun Wu,Jiantuo Gan,Liaona She,Fulai Qi,Yanxia Liu,Mingchang Zhang,Wubin Du,Yinzhu Jiang,Mingxia Gao,Hongge Pan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (46): e2413760-e2413760 被引量:39
标识
DOI:10.1002/adma.202413760
摘要

Abstract Li‐ion and Na‐ion batteries are promising systems for powering electric vehicles and grid storage. Layered 3d transition metal oxides A x TMO 2 (A = Li, Na; TM = 3d transition metals; 0 < x ≤ 2) have drawn extensive attention as cathode materials due to their exceptional energy densities. However, they suffer from several technical challenges caused by crystal structure degradation associated with TM ions migration, such as poor cycling stability, inferior rate capability, significant voltage hysteresis, and serious voltage decay. Aiming to tackle these challenges, this review provides an in‐depth discussion and comprehensive understanding of the TM ions migration behaviors in A x TMO 2 . First, the key thermodynamics and kinetics that impact TM ions migration are discussed, covering ionic radius, electronic configuration, crystal structure arrangement, and migration energy barrier. In particular, details are provided regarding the universal and specific migration characteristics of Ni, Co, Mn, Fe, Cr, and V ions in layered cathode materials. Subsequently, the impacts of these migrations on electrochemical performance are emphasized in terms of the fundamental science behind technical issues, and strategies to modulate TM ions migration for advanced cathode materials development are summarized. Besides, characterization techniques for probing the TM ions migration are present, like neutron diffraction (ND), scanning transmission electron microscopy (STEM), nuclear magnetic resonance (NMR), and others. Finally, future directions in this regard are comprehensively concluded. This review offers valuable insights into the basic design of advanced layered oxide cathode materials for Li‐ion and Na‐ion batteries.
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