New Insight into Structural Evolution in Layered NaCrO2 during Electrochemical Sodium Extraction

电化学 八面体 离子 电极 六价铬 化学 氧化还原 材料科学 分析化学(期刊) 结晶学 无机化学 晶体结构 物理化学 冶金 有机化学 色谱法
作者
Kei Kubota,Issei Ikeuchi,Tetsuri Nakayama,Chikara Takei,Naoaki Yabuuchi,Hiromasa Shiiba,Masanobu Nakayama,Shinichi Komaba
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:119 (1): 166-175 被引量:206
标识
DOI:10.1021/jp5105888
摘要

Electrochemical properties and structural changes during charge for NaCrO 2, whose structure is classified as α-NaFeO 2 type layered polymorph (also O3-type following the Delmas’ notation), are examined as a positive electrode material for nonaqueous Na-ion batteries. NaCrO 2 delivers initial discharge capacity of 110 mAh g –1 at 1/20C rate in the voltage range of 2.5–3.6 V based on reversible Cr 3+ /Cr 4+ redox without oxidation to hexavalent chromium ions, while the initial discharge capacity is only 9 mAh g –1 when cutoff voltage is set to 4.5 V. Results from ex-situ X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy, and DFT calculations reveal that the irreversible phase transition occurs after sodium extraction by charging over a voltage plateau at 3.8 V associated with the lattice shrinkage along the c -axis in the case of x > 0.5 in Na 1– x CrO 2, which originates from the migration of chromium ions from octahedral sites in CrO 2 slabs to both tetrahedral and octahedral sites in interslab layer. The irreversible structural change would disturb sodium insertion into the damaged layer structure during discharge, resulting in the loss of reversibility as electrode materials. Reversible cycle range with stable capacity retention is, therefore, limited to the compositional range of 0.0 ≤ x ≤ 0.5 in Na 1– x CrO 2 .
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