High-voltage stability of O3-type sodium layered cathode enabled by preferred occupation of Na in the OP2 phase

材料科学 阴极 相(物质) 堆积 热稳定性 氧化物 相变 过渡金属 化学工程 冶金 物理化学 化学 热力学 催化作用 有机化学 物理 工程类
作者
Tae‐Yeon Yu,Junghoon Kim,Gwangeon Oh,Muhammad Hilmy Alfaruqi,Jang‐Yeon Hwang,Yang‐Kook Sun
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:61: 102908-102908 被引量:68
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102908
摘要

Cobalt-free O3-type layered sodium nickel manganese oxide, Na[Ni0.5Mn0.5]O2, is one of the most attractive candidates as a cathode material for low-cost and practical sodium-ion batteries (SIBs). However, stable cycling with high reversible capacity in SIBs using Na[Ni0.5Mn0.5]O2 as a cathode is still hampered by an irreversible phase transition at voltages above 4.0 V (vs. Na/Na+). In this study, to suppress the detrimental phase transition, Mg substitution into Ni sites is proposed, and a series of Na[Ni0.5-xMgxMn0.5]O2 (x = 0, 0.05, 0.1 and 0.15) materials are synthesized and characterized. The substitution of Mg over 10 mol% into Ni site regulates sodium occupancy into P-type stacking, resulting in the OP2 phase upon high-voltage operation. This enables the material to tolerate strains in the crystal structure by alleviating the irreversible O3′−O3″ phase transition, which was evidenced by the results of operando X-ray diffraction and density functional theory calculation. Compared to its corresponding members, the optimized Na[Ni0.4Mg0.1Mn0.5]O2 cathode delivers a high reversible capacity of 177 mAh g−1 as well as improved cycling stability and rate capability in the wide voltage range of 2.0 − 4.3 V. Moreover, the Mg substitution strategy enhances the thermal and chemical stability against moisture, indicating its excellent practical applicability.
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