Unexpected Li displacement and suppressed phase transition enabling highly stabilized oxygen redox in P3-type Na layered oxide cathode

氧化还原 阴极 电化学 氧气 氧化物 相变 化学 无机化学 离子 材料科学 化学物理 化学工程 电极 物理化学 热力学 有机化学 工程类 物理
作者
Myungeun Choi,Hobin Ahn,Hyunyoung Park,Yongseok Lee,Jinho Ahn,Bonyoung Ku,Junseong Kim,Wonseok Ko,Jungmin Kang,Jung‐Keun Yoo,Duho Kim,Jongsoon Kim
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:85: 144-153 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.06.009
摘要

Oxygen redox is considered a new paradigm for increasing the practical capacity and energy density of the layered oxide cathodes for Na-ion batteries. However, severe local structural changes and phase transitions during anionic redox reactions lead to poor electrochemical performance with sluggish kinetics. Here, we propose a synergy of Li-Cu cations in harnessing the full potential of oxygen redox, through Li displacement and suppressed phase transition in P3-type layered oxide cathode. P3-type Na0.7[Li0.1Cu0.2Mn0.7]O2 cathode delivers a large specific capacity of ∼212 mA h g−1 at 15 mA g−1. The discharge capacity is maintained up to ∼90% of the initial capacity after 100 cycles, with stable occurrence of the oxygen redox in the high-voltage region. Through advanced experimental analyses and first-principles calculations, it is confirmed that a stepwise redox reaction based on Cu and O ions occurs for the charge-compensation mechanism upon charging. Based on a concrete understanding of the reaction mechanism, the Li displacement by the synergy of Li-Cu cations plays a crucial role in suppressing the structural change of the P3-type layered material under the oxygen redox reaction, and it is expected to be an effective strategy for stabilizing the oxygen redox in the layered oxides of Na-ion batteries.
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