Lattice Stabilization in P2-Type Layered Oxide Cathodes by Zn Doping for High-Voltage Sodium Storage

材料科学 兴奋剂 阴极 氧化物 格子(音乐) 电压 无机化学 化学工程 光电子学 电气工程 冶金 化学 物理 声学 工程类
作者
Mingjian Li,Lei Chen,Zhiguo Liu,Lu Tang,D. A. Podgorny,Haohong Xian,Xiaobin Niu,Rui Wu,Jun Song Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c13407
摘要

P2–Na0.67Ni0.33Mn0.67O2 represents an attractive cathode candidate for sodium-ion batteries. This material benefits from environmental sustainability, relative ease of synthesis, a high specific capacity, and operation at elevated voltages. However, its practical implementation is hindered by accelerated performance degradation and detrimental structural changes when charged beyond 4.2 V. Herein, we propose a strategic zinc-doping approach to address these limitations. Combined in situ XRD and DEMS, the Zn-doped P2–Na0.67Ni0.32Mn0.67Zn0.01O2 demonstrates remarkable suppression of lattice distortion (volume change <4%) and oxygen evolution even during high-voltage operation. Ex situ XPS confirms that Zn doping effectively mitigates Mn3+ induced Jahn–Teller distortion during cycling. The optimized cathode exhibits exceptional rate capability, delivering 99.1 mAh g–1 and 84.9 mAh g–1 at 5 and 10 C, respectively, within 1.5–4.3 V (vs Na/Na+). Furthermore, it demonstrates exceptional cycling stability at 10 C, retaining 92.9% of its capacity after 300 cycles. Complementing these findings, theoretical calculations reveal that NMNZ exhibits reduced volume changes, lowers the energy band center of O 2p orbitals, and enhances the stability of lattice oxygen.
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