Dual‐Strategy of Cation‐Doping and Nanoengineering Enables Fast and Stable Sodium‐Ion Storage in a Novel Fe/Mn‐Based Layered Oxide Cathode

阴极 材料科学 离子 化学工程 氧化物 纳米工程 兴奋剂 钠 对偶(语法数字) 纳米技术 化学 冶金 光电子学 有机化学 物理化学 艺术 工程类 文学类
作者
Qiuyu Shen,Xudong Zhao,Yongchang Liu,Youpeng Li,Jian Zhang,Ning Zhang,Chenghao Yang,Jun Chen
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:7 (21): 2002199-2002199 被引量:172
标识
DOI:10.1002/advs.202002199
摘要

Iron/manganese-based layered transition metal oxides have risen to prominence as prospective cathodes for sodium-ion batteries (SIBs) owing to their abundant resources and high theoretical specific capacities, yet they still suffer from rapid capacity fading. Herein, a dual-strategy is developed to boost the Na-storage performance of the Fe/Mn-based layered oxide cathode by copper (Cu) doping and nanoengineering. The P2-Na0.76Cu0.22Fe0.30Mn0.48O2 cathode material synthesized by electrospinning exhibits the pearl necklace-like hierarchical nanostructures assembled by nanograins with sizes of 50-150 nm. The synergistic effects of Cu doping and nanotechnology enable high Na+ coefficients and low ionic migration energy barrier, as well as highly reversible structure evolution and Cu/Fe/Mn valence variation upon repeated sodium insertion/extraction; thus, the P2-Na0.76Cu0.22Fe0.30Mn0.48O2 nano-necklaces yield fabulous rate capability (125.4 mA h g-1 at 0.1 C with 56.5 mA h g-1 at 20 C) and excellent cyclic stability (≈79% capacity retention after 300 cycles). Additionally, a promising energy density of 177.4 Wh kg-1 is demonstrated in a prototype soft-package Na-ion full battery constructed by the tailored nano-necklaces cathode and hard carbon anode. This work symbolizes a step forward in the development of Fe/Mn-based layered oxides as high-performance cathodes for SIBs.
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