Enhanced Performance of P2‐Na0.66(Mn0.54Co0.13Ni0.13)O2 Cathode for Sodium‐Ion Batteries by Ultrathin Metal Oxide Coatings via Atomic Layer Deposition

材料科学 阴极 电极 氧化物 电化学 循环伏安法 电解质 化学工程 原子层沉积 分析化学(期刊) 图层(电子) 纳米技术 冶金 电气工程 工程类 物理化学 化学 色谱法
作者
K. Karthikeyan,Jian Liu,Biwei Xiao,Andrew Lushington,Ruying Li,Tsun‐Kong Sham,Xueliang Sun
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:27 (37) 被引量:172
标识
DOI:10.1002/adfm.201701870
摘要

Sodium‐ion batteries are widely considered as promising energy storage systems for large‐scale applications, but their relatively low energy density hinders further practical applications. Developing high‐voltage cathode materials is an effective approach to increase the overall energy density of sodium‐ion batteries. When cut‐off voltage is elevated over 4.3 V, however, the cathode becomes extremely unstable due to structural transformations as well as metal dissolution into the electrolytes. In this work, the cyclic stability of P2‐Na 0.66 (Mn 0.54 Co 0.13 Ni 0.13 )O 2 (MCN) electrode at a cut‐off voltage of 4.5 V is successfully improved by using ultrathin metal oxide surface coatings (Al 2 O 3 , ZrO 2 , and TiO 2 ) deposited by an atomic layer deposition technique. The MCN electrode coated with the Al 2 O 3 layer exhibits higher capacity retention among the MCN electrodes. Moreover, the rate performance of the MCN electrode is greatly improved by the metal oxide coatings in the order of TiO 2 < Al 2 O 3 < ZrO 2 , due to increased fracture toughness and electrical conductivity of the metal oxide coating layers. A ZrO 2 ‐coated MCN electrode shows a discharge capacity of 83 mAh g −1 at 2.4 A g −1 , in comparison to 61 mAh g −1 for a pristine MCN electrode. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance analysis disclose the reduced charge transfer resistance from 1421 to 760.2 Ω after cycles, suggesting that the metal oxide coating layer can effectively minimize the undesirable phase transition, buffer inherent stress and strain between the binder, cathode, and current collector, and avoid volumetric changes, thus increasing the cyclic stability of the MCN electrode.
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