Coupling Redox Compensation and Interfacial Stabilization in Low-Ni O3-Type Sodium Layered Oxide Cathodes

阴极 材料科学 联轴节(管道) 氧化物 氧化还原 化学工程 补偿(心理学) 无机化学 电化学 化学 工作(物理)
作者
Yì Wáng,Seungmin Lee,Arthur Ronne,Kangxuan Xia,Aaron Michelson,Ajith Pattammattel,Mingyuan Ge,Hanfei Yan,Enyuan Hu
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.6c01024
摘要

Low-Ni O3-type sodium layered oxides are attractive cathodes for cost-robust sodium-ion batteries, yet high-voltage cycling is often limited by Fe-driven degradation, including cation migration/dissolution, irreversible slab gliding with large strain, particle cracking, and accelerated interfacial parasitic reactions. Here, we introduce a redox-interface codesign strategy using stoichiometric, charge-balanced Cu2+/Ti4+ cosubstitution while preserving full Na stoichiometry, transitioning from NaNi1/4Fe1/2Mn1/4O2 to NaNi1/4Fe1/5Mn1/4Cu3/20Ti3/20O2. With the cosubstitution, Cu and Ti suppress Fe migration and dissolution and facilitate sustained Fe oxidation at high voltage. Meanwhile, Cu is also shown to be redox-active, providing reversible cationic charge compensation that mitigates the capacity penalty typically associated with reducing Fe participation. Operando diffraction and spectroscopy collectively indicate a more reversible high-voltage structural evolution with suppressed Fe-related irreversibility. Particularly, spontaneous Ti enrichment at surface/grain-boundary regions stabilizes the cathode−electrolyte interface and promotes a more NaF-rich interphase signature. This work establishes a generalizable route to reconcile stability and capacity in low-Ni, Fe-containing O3 sodium layered oxide cathodes via compositionally encoded bulk-interfacial coupling.

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