Understanding the Synergistic Effect of Mg/Co Ions Doping on the Layer‐Tunnel Hybrid Structure of Na 0.44 MnO 2 Cathode Materials

材料科学 阴极 密度泛函理论 电化学 离子 氧化物 兴奋剂 晶体结构 无机化学 化学工程 电极 物理化学 化学 结晶学 计算化学 光电子学 冶金 有机化学 工程类
作者
Huiyu Zhang,Jian Li,Tongyang Shen,Jian Li,Tong Wu,Kewei Feng,Taomei Huang,Haoyu Tang,Chengming Deng,Lizhi Xiong,Xianwen Wu,Yanhong Xiang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (22): e2411775-e2411775 被引量:3
标识
DOI:10.1002/smll.202411775
摘要

Sodium manganese oxide Na0.44MnO2 has become a promising cathode material for sodium ion batteries due to its stable tunnel structure, but its low Na+ content and Mn3+ induced Jahn Teller (JT) distortion pose challenges to its practical application. This study constructs a tunnel-layered hybrid material that combines the advantage of two structures through co-doping with Mg and Co ions. The Mg/Co co-substitution effect is crucial in regulating the hybrid crystal structure, as it compresses the TM-O layer (transition metal oxide plates) and expands the Na layer spacing, enhancing Na+ diffusion kinetics. This modification also mitigates lattice distortion from the JT effect, improving structural stability. Electrochemical studies reveal that the Na0.44Mn0.96Mg0.02Co0.02O2 cathode in sodium-ion batteries demonstrates a higher initial specific capacity (135.8 mAh g-1, 0.5C) and improved cycle stability. Density functional theory (DFT) calculations further confirm that Mg and Co ions reduce the band gap, enhance electronic conductivity, and improve rate performance. Additionally, the increased O 2p state density near the Fermi level favors oxygen redox reactions. This research provides a new method for the design of energy storage materials. Besides, the investigation into the mechanism of Mg and Co dual substitution offers a promising strategy for optimizing sodium-ion batteries.
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