Sb-Doped Biphasic P2/O3-Type Mn-Rich Layered Oxide Cathode Material for High-Performance Sodium-Ion Batteries

材料科学 兴奋剂 阴极 氧化物 离子 掺杂剂 溶解 容量损失 过渡金属 相变 化学工程 电极 光电子学 冶金 热力学 阳极 物理化学 催化作用 有机化学 化学 工程类 生物化学 物理
作者
Sidra Jamil,Farhan Mudasar,Tiange Yuan,Muhammad Fasehullah,Ghulam Ali,Keun Hwa Chae,Oleksandr Voznyy,Yiqiang Zhan,Maowen Xu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 14669-14679 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsami.3c15667
摘要

Mn-rich P2-type layered oxide cathode materials suffer from severe capacity loss caused by detrimental phase transition and transition metal dissolution, making their implementation difficult in large-scale sodium-ion battery applications. Herein, we introduced a high-valent Sb5+ substitution, leading to a biphasic P2/O3 cathode that suppresses the P2–O2 phase transformation in the high-voltage condition attributed to the stronger Sb–O covalency that introduces extra electrons to the O atom, reducing oxygen loss from the lattices and improving structural stability, as confirmed by first-principle calculations. Besides, the enhanced Na+ diffusion kinetics and thermodynamics in the modified sample are associated with the enlarged lattice parameters. As a result, the proposed cathode delivers a discharge capacity of 142.6 mAh g–1 at 0.1C between 1.5 and 4.3 V and excellent performance at a high mass loading of 8 mg cm3 with a specific capacity of 131 mAh g–1 at 0.2C. Furthermore, it also possesses remarkable rate capability (90.3 mAh g–1 at 5C), specifying its practicality in high-energy-density sodium-ion batteries. Hence, this work provides insights into incorporating high-valent dopants for high-performance Mn-rich cathodes.
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