Fast and highly reversible Na+ intercalation/extraction in Zn/Mg dual-doped P2-Na0.67MnO2 cathode material for high-performance Na-ion batteries

阴极 插层(化学) 兴奋剂 材料科学 离子 扩散 无机化学 电解质 电极 分析化学(期刊) 化学 物理化学 光电子学 热力学 色谱法 物理 有机化学
作者
Xiaoqin Huang,Deli Li,Haijian Huang,Xiao Jiang,Zeheng Yang,Weixin Zhang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:14 (10): 3531-3537 被引量:82
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3715-2
摘要

P2-type layered Na0.67MnO2 has been considered to be a promising candidate cathode material for sodium ion batteries. Nevertheless, the undesired phase transitions during operation and the large Na+ radius induced sluggish ion diffusion remain the stumbling blocks to realize its high performance. Herein, we propose a Zn/Mg co-doping strategy, which is proved to have bifunctional effects. First, relative to the pristine P2-Na0.67MnO2 and the single-ion (Zn/Mg) doped samples, the Zn/Mg dual-doped P2-Na0.67MnO2 demonstrates a lower Mn3+/Mn4+ ratio and a higher lattice O content, which facilitate the structural stability of the cathode material. More intriguingly, the Zn/Mg co-doping gives rise to enlarged interplanar spacing, which provides spacious ion diffusion channels for fast Na+ intercalation/extraction. As a result, the Zn/Mg dual-doped sample exhibits a high Na+ diffusion coefficient and a solid-solution reaction during charge/discharge, with a cell volume change determined to be only 0.55%. Taking advantages of the above favorable features, the Zn/Mg dual-doped P2-Na0.67MnO2 demonstrates a high rate performance with 67.2 mAh·g−1 delivered at 10 C and a decent cycling stability with a capacity retention of 93.8% achieved at 1 C after 100 cycles. This work introduces the Zn/Mg co-doping strategy to simultaneously improve the cycling stability and rate capability of P2-Na0.67MnO2, which may offer a promising avenue for further performance enhancement of the layered Na-ion batteries cathode materials.
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