Realizing long-term cycling stability of O3-type layered oxide cathodes for sodium-ion batteries

材料科学 阴极 氧化物 离子 自行车 期限(时间) 纳米技术 冶金 化学 有机化学 物理 量子力学 历史 物理化学 考古
作者
Guohua Zhang,Yuheng Gao,Ping Zhang,Yuheng Gao,Jingrong Hou,Xuemin Shi,Jiwei Ma,Renyuan Zhang,Yunhui Huang
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:11 (16): 3935-3945 被引量:20
标识
DOI:10.1039/d4mh00333k
摘要

O3-type layered oxide cathodes are promising for practical sodium-ion batteries (SIBs) owing to their high theoretical capacity, facile synthesis, and sufficient Na+ storage. However, they face challenges such as rapid capacity loss and poor cycling stability, mainly attributed to irreversible phase transitions. To address these challenges, a novel cathode material, Li/Sn co-substituted O3-Na0.95Li0.07Sn0.01Ni0.22Fe0.2Mn0.5O2 (LSNFM), has been designed by regulating the electronic structure, in which Li+ activates more redox reactions of Ni2+/3+ and Fe3+/4+ above 2.5 V and suppresses the redox reactivity of Mn3+/4+ below 2.5 V, while Sn4+ can prevent the charge delocalization in the transition metal layer, contributing to structural stability. Due to this synergistic effect, the as-prepared LSNFM electrode with high structural reversibility displays a 27.2% capacity increase contributed by the high-voltage transition metal ion redox activity and exhibits excellent long-term cycling stability, an 84.0% capacity retention after 500 cycles at 1 C and an 84.7% capacity retention after 2000 cycles at 5 C. The fundamental mechanism is fully investigated using systematic in situ/ex situ characterization techniques and density functional theory computations. This work provides a paradigm for designing long-term cycle life cathode materials by synergistically regulating the electronic structure in practical SIBs.
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