Strengthening Transition Metal–Oxygen Interaction in Layered Oxide Cathodes for Stable Sodium-Ion Batteries

材料科学 阴极 氧化物 过渡金属 氧气 离子 无机化学 金属 化学工程 纳米技术 化学 冶金 催化作用 物理化学 有机化学 工程类
作者
Junyi Dai,Jiahao Li,Yu Yao,Yanru Wang,Mingze Ma,Ruilin Bai,YinBo Zhu,Xianhong Rui,HengAn Wu,Yan Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c18526
摘要

P2-type layered oxides, such as Na0.67Ni0.33Mn0.67O2, represent a promising class of cathode materials for Sodium-ion batteries (SIBs) due to their high theoretical energy density. However, their cycling stability is often compromised by severe phase transitions and irreversible lattice oxygen redox reactions at high voltages. In this work, we develop a Zn and Al codoping approach to design a Na0.71Ni0.28Zn0.05Mn0.62Al0.05O2 (ZA-NNMO) cathode for stable SIBs. Geometric phase analysis reveals that the introduction of inert Zn significantly mitigates the lattice distortion and transition-metal-ion migration, thereby inhibiting detrimental phase transition and structural collapse. The doped Al element in the Mn site strengthens the Al-O interaction, facilitating reversible O2--O2n- (0 < n < 4) reactions at high voltages and effectively curtailing irreversible lattice oxygen oxidation, as confirmed by in situ differential electrochemical mass spectrometry. As a result, the ZA-NNMO cathode delivers superior electrochemical performance in terms of high output voltage of 3.6 V, highly competitive energy density of 470 W h kg-1 and good cyclability (80.2% of capacity retention after 1400 cycles at 1.0 A g-1). This work presents a robust methodology for improving the reversibility and stability of layered oxide cathodes in SIBs.
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