Co-Substitution Enhances the Rate Capability and Stabilizes the Cyclic Performance of O3-Type Cathode NaNi0.45–xMn0.25Ti0.3CoxO2 for Sodium-Ion Storage at High Voltage

材料科学 阴极 替代(逻辑) 类型(生物学) 结晶学 化学工程 物理化学 化学 生态学 计算机科学 生物 工程类 程序设计语言
作者
Chaojin Zhou,Lichun Yang,Chaogang Zhou,Bin Lü,Jiangwen Liu,Liuzhang Ouyang,Renzong Hu,Jun Liu,Min Zhu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (8): 7906-7913 被引量:63
标识
DOI:10.1021/acsami.8b17945
摘要

O3-type NaNiO2-based cathode materials suffer irreversible phase transition when they are charged to above 4.0 V in sodium-ion batteries. To solve this problem, we partially substitute Ni2+ in O3-type NaNi0.45Mn0.25Ti0.3O2 by Co3+. NaNi0.45Mn0.25Ti0.3O2 with co-substitution possesses an expanded interlayer and exhibits higher rate capability, as well as cyclic stability, compared with the pristine cathode in 2.0–4.4 V. The optimal NaNi0.4Mn0.25Ti0.3Co0.05O2 delivers discharge capacities of 180 and 80 mA h g–1 at 10 and 1000 mA g–1. At 100 mA g–1, NaNi0.4Mn0.25Ti0.3Co0.05O2 exhibits 152 mA h g–1 in the initial cycle and maintains 91.4 mA h g–1 after 180 cycles. Through ex situ X-ray diffraction, co-substitution is demonstrated to be effective in enhancing the reversibility of P3–P3″ phase transition from 4.0 to 4.4 V. Electrochemical impedance spectroscopy indicates that higher electronic conductivity is achieved by co-substitution. Moreover, cyclic voltammetry and the galvanostatic intermittent titration technique demonstrate faster kinetics for Na+ diffusion due to the co-substitution. This study provides a reference for further improvement of electrochemical performance of cathode materials for high-voltage sodium-ion batteries.
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