Multiprincipal Component P2-Na0.6(Ti0.2Mn0.2Co0.2Ni0.2Ru0.2)O2 as a High-Rate Cathode for Sodium-Ion Batteries

阴极 过渡金属 离子 扩散 衍射 同步加速器 氧化物 材料科学 化学物理 结晶学 冶金 物理 物理化学 化学 热力学 光学 催化作用 有机化学 核物理学 生物化学
作者
Lufeng Yang,Chi Chen,Shan Xiong,Zheng Chen,Pan Liu,Yifan Ma,Wenqian Xu,Yuanzhi Tang,Shyue Ping Ong,Hailong Chen
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:1 (1): 98-107 被引量:67
标识
DOI:10.1021/jacsau.0c00002
摘要

Mixing transition metal cations in nearly equiatomic proportions in layered oxide cathode materials is a new strategy for improving the performances of Na-ion batteries. The mixing of cations not only offers entropic stabilization of the crystal structure but also benefits the diffusion of Na ions with tuned diffusion activation energy barriers. In light of this strategy, a high-rate Na0.6(Ti0.2Mn0.2Co0.2Ni0.2Ru0.2)O2 cathode was designed, synthesized, and investigated, combining graph-based deep learning calculations and complementary experimental characterizations. This new cathode material delivers high discharge capacities of 164 mA g–1 at 0.1 C and 68 mAh g–1 at a very high rate of 86 C, demonstrating an outstanding high rate capability. Ex situ and operando synchrotron X-ray diffraction were used to reveal the detailed structural evolution of the cathode upon cycling. Using the climbing-image nudged elastic-band calculation and Ab initio molecular dynamics simulations, we show that the optimal transition metal composition enables a percolating network of low barrier pathways for fast, macroscopic Na diffusion, resulting in the observed high rate performance.
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