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Designing Metastable P3‐type Layered Negative Electrodes with High Na Vacancy Concentration for High‐Power Sodium‐Ion Batteries

材料科学 亚稳态 空位缺陷 离子 电极 功率(物理) 化学物理 凝聚态物理 热力学 冶金 物理化学 量子力学 物理 化学
作者
Alok Pandey,Benoît Denis Louis Campéon,Saad Zafar,Tōru Ishigaki,Tsubasa Koyama,Masanobu Nakayama,Naoaki Yabuuchi
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (23) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/adfm.202417830
摘要

Abstract Titanium‐based layered oxides exhibit promising characteristics for negative electrode applications for sodium‐ion batteries (SIBs) owing to their low operating potential and stable redox behavior. However, challenges persist in synthesizing single‐phase Na x Cr x Ti 1– x O 2 materials with reduced sodium content ( x < 0.58) due to structural instability. In this study, an unconventional approach utilizing potassium analogues to design high Na vacancy concentration compounds is proposed. By exploiting the larger ionic size of K + ions, a P3‐type K 0.5 Cr 0.5 Ti 0.5 O 2 layered material with lower alkali ion concentrations ( x = 0.50) is stabilized. Subsequently, through a facile room‐temperature K + /Na + ion‐exchange process, sodium‐deficient metastable P3‐type Na 0.5 Cr 0.5 Ti 0.5 O 2 is successfully synthesized. A similar K + /Li + ion‐exchange process is also applied to synthesize O3‐type Li 0.5 Cr 0.5 Ti 0.5 O 2 . X‐ray diffraction combined with electron microscopy reveals the formation of metastable single‐phase P3‐type Na 0.5 Cr 0.5 Ti 0.5 O 2 and metastable O3‐type Li 0.5 Cr 0.5 Ti 0.5 O 2 with a unique layer arrangement. The high Na vacancy concentration in P3‐type Na 0.5 Cr 0.5 Ti 0.5 O 2 results in an increased initial capacity of 125 mA h g −1 at 10 mA g −1 . Additionally, Na 0.5 Cr 0.5 Ti 0.5 O 2 exhibits Na + /vacancy disordering and high electronic conductivity, enabling a high‐rate charge capability without sodium plating. This work provides new insights into the design of metastable layered materials for durable and safe sodium battery applications with fast‐charge capability.
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