Boosting the Reversibility and Kinetics of Anionic Redox Chemistry in Sodium-Ion Oxide Cathodes via Reductive Coupling Mechanism

化学 氧化还原 动力学 阴极 氧气 离子 电子转移 激进的 无机化学 氧化物 光化学 物理化学 有机化学 量子力学 物理
作者
Yao Wang,Xudong Zhao,Junteng Jin,Qiuyu Shen,Yang Hu,Xiaobai Song,Han Li,Xuanhui Qu,Lifang Jiao,Yongchang Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (41): 22708-22719 被引量:204
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08070
摘要

Activating anionic redox chemistry in layered oxide cathodes is a paradigmatic approach to devise high-energy sodium-ion batteries. Unfortunately, excessive oxygen redox usually induces irreversible lattice oxygen loss and cation migration, resulting in rapid capacity and voltage fading and sluggish reaction kinetics. Herein, the reductive coupling mechanism (RCM) of uncommon electron transfer from oxygen to copper ions is unraveled in a novel P2-Na0.8Cu0.22Li0.08Mn0.67O2 cathode for boosting the reversibility and kinetics of anionic redox reactions. The resultant strong covalent Cu–(O–O) bonding can efficaciously suppress excessive oxygen oxidation and irreversible cation migration. Consequently, the P2-Na0.8Cu0.22Li0.08Mn0.67O2 cathode delivers a marvelous rate capability (134.1 and 63.2 mAh g–1 at 0.1C and 100C, respectively) and outstanding long-term cycling stability (82% capacity retention after 500 cycles at 10C). The intrinsic functioning mechanisms of RCM are fully understood through systematic in situ/ex situ characterizations and theoretical computations. This study opens a new avenue toward enhancing the stability and dynamics of oxygen redox chemistry.
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