Synergistic Dual Pinning Engineering through Regulating TM–O Bond Interactions toward Structurally Robust Fe/Mn-Based Layered Oxide Cathodes for Sodium-Ion Batteries

阴极 材料科学 离子键合 氧化物 化学工程 相(物质) 对偶(语法数字) 纳米技术 电极 工作(物理) 原位 离子液体 原材料 债券 化学物理 化学键 制作
作者
Wei Zhao,Shao-Hua Luo,Zhen Shi,Xin Liu,Lixiong Qian,Shengxue Yan
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (10): 5199-5212
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c00001
摘要

Fe/Mn-based layered oxides are considered highly competitive cathode materials for sodium-ion batteries due to the sustainability and availability of their raw materials. However, their practical application has been hindered by challenges such as Jahn–Teller (J-T) distortions of Mn 3+ /Fe 4+, Fe migration in deeply desodiated states, and irreversible phase transitions. Herein, we propose a strategy of codoping with Mg/Al to stabilize a bipartite structure, which modulates the ionic covalency of the Fe/Mn–O bond to alter the local electronic environment and achieve dual pinning engineering. This results in the Na 0.67 Mg 0.06 Fe 0.34 Mn 0.54 Al 0.06 O 2 (NFM-MA06) cathode material exhibiting a capacity retention of 86.2% after 100 cycles at a rate of 0.5 C, and retains 86.6% of its capacity after 300 cycles at 2 C. The enhanced stability, compared to the original cathode (which showed 54.5% and 33.1% capacity retention after 100 cycles at a rate of 0.5 and 150 cycles at 2 C, respectively), is attributed to the successful suppression of Jahn–Teller distortions and Fe migration. In addition, in situ XRD and in situ EIS tests (with corresponding DRT analysis) were performed to examine the structural evolution and enhanced reaction kinetics. This work lays the foundation for the advancement of economically viable Fe/Mn-based materials.
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