Atomistic Insights into Solid-State Phase Transition Mechanisms of P2-Type Layered Mn Oxides for High-Energy Na-Ion Battery Cathodes

材料科学 阴极 电池(电) 离子 固态 相变 相(物质) 化学工程 化学物理 纳米技术 结晶学 物理化学 化学 凝聚态物理 热力学 物理 工程类 有机化学 功率(物理)
作者
Aniello Langella,Arianna Massaro,Ana B. Muñoz‐García,Michele Pavone
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:10 (3): 1089-1098 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.4c03335
摘要

Mn-based layered oxides hold great promise as high-energy, cost-effective cathodes for sodium-ion batteries (NIBs), but repetitive Na+ cycling induces harmful phase transitions. Understanding these mechanisms is essential for designing better performing NIB cathodes. Applying density functional theory (DFT) and variable cell-nudged elastic band (VC-NEB) calculations, we provide atomistic insights into phase transformation pathways and energy barriers in P2-Na x MnO2 material and its Ni-doped variant. We reveal the key P2-to-OP4/O2 and P2-to-P2' transitions that occur across various sodiation levels, involving substantial rearrangements around the transition metal sites, with tetrahedral transition states accountable for energy barriers. Our analysis of bond length and angle distortions highlights that shear deformations are pivotal in triggering P-to-O gliding at low sodium levels. Based on these insights, our structural distortion metrics offer a straightforward and computationally efficient descriptor to evaluate structural integrity for these layered oxides, enabling the design of NIBs with improved stability and extended lifespan.
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