Screening Na-Excess Cation-Disordered Rocksalt Cathodes with High Performance

阴极 材料科学 纳米技术 化学工程 化学 物理化学 工程类
作者
Zichang Zhang,Jiahui Liu,Peng‐Hu Du,Dingguo Xia,Qiang Sun
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (44): 30584-30592 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c09285
摘要

The practical application of Na-ion cathode materials is currently restricted by their low energy density and sluggish dynamics, while the cation-disordered rocksalt (DRX) structures offer a possible solution to the challenge. In this study, among the 24 candidates containing d0 elements, we use mixing temperature as a descriptor to screen the synthesizable Na-excess DRX, and we have identified Na1.2Mn0.4Mo0.4O2 as the most promising candidate that exhibits a Na percolating fraction of 53%, which is higher than that of Li1.2Mn0.4Ti0.4O2 (35%) proposed in the previous study due to the larger lattice constant in Na-excess DRX cathodes. More importantly, Na1.2Mn0.4Mo0.4O2 is predicted to have a capacity of 228 mAh/g with an energy density of 552 Wh/kg derived from percolation theory and cluster-expansion Monte Carlo simulations, which is higher than that of Na1.3Nb0.3Mn0.4O2 and Na1.14Mn0.57Ti0.29O2 synthesized recently. For a better understanding, the redox mechanism is explored, which involves Mo4+/Mo6+, Mn3+/Mn4+, and O2-/On- (0 < n < 2), indicating the participation of anionic redox. Meanwhile, the Na+ diffusion prefers a divacancy mechanism via an o-t-o diffusion channel with a low diffusion barrier of 0.29 eV. This study expands the family of DRX for the cathode of Na-ion batteries with enhanced performance.

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