Medium‐entropy configuration enabling reversible P2‐OP4 phase transition in layered oxides for high‐rate sodium‐ion batteries

材料科学 离子 钠 相变 相(物质) 热力学 冶金 化学 物理 有机化学
作者
Feifei Hong,Xin Zhou,Hao Liu,Guilin Feng,Xiaohong Liu,Heng Zhang,Wei‐Feng Fan,Bin Zhang,Meihua Zuo,Wangyan Xing,Ping Zhang,Wei Xiang
出处
期刊:Rare Metals [Springer Science+Business Media]
卷期号:44 (5): 2997-3007 被引量:16
标识
DOI:10.1007/s12598-024-03196-5
摘要

Abstract Layered transition metal oxides have emerged as promising cathode materials for sodium ion batteries. However, irreversible phase transitions cause structural distortion and cation rearrangement, leading to sluggish Na + dynamics and rapid capacity decay. In this study, we propose a medium‐entropy cathode by simultaneously introducing Fe, Mg, and Li dopants into a typical P2‐type Na 0.75 Ni 0.25 Mn 0.75 O 2 cathode. The modified Na 0.75 Ni 0.2125 Mn 0.6375 Fe 0.05 Mg 0.05 Li 0.05 O 2 cathode predominantly exhibits a main P2 phase (93.5%) with a minor O3 phase (6.5%). Through spectroscopy techniques and electrochemical investigations, we elucidate the redox mechanisms of Ni 2+/3+/4+ , Mn 3+/4+ , Fe 3+/4+ , and O 2− /O 2 n − during charging/discharging. The medium‐entropy doping mitigates the detrimental P2‐O2 phase transition at high‐voltage, replacing it with a moderate and reversible structural evolution (P2‐OP4), thereby enhancing structural stability. Consequently, the modified cathode exhibits a remarkable rate capacity of 108.4 mAh·g −1 at 10C, with a capacity retention of 99.0% after 200 cycles at 1C, 82.5% after 500 cycles at 5C, and 76.7% after 600 cycles at 10C. Furthermore, it also demonstrates superior electrochemical performance at high cutoff voltage of 4.5 V and extreme temperature (55 and 0 °C). This work offers solutions to critical challenges in sodium ion batteries cathode materials.
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