Electrochemical performance and structural changes of Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 as cathode for sodium ion batteries

dc.contributor.advisorBanhart, John
dc.contributor.authorZhang, Li
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeBanhart, John
dc.contributor.refereeWinter, Martin
dc.date.accepted2019-10-15
dc.date.accessioned2019-12-16T15:39:38Z
dc.date.available2019-12-16T15:39:38Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractP2- and P3-type Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 materials are potential cathodes for sodium ion batteries. P3-type Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 demonstrates higher initial discharge capacity (233 mAh∙g-1) in the voltage range 1.5 - 4.5 V than P2-type Na0.67Mn0.67Ni0.33O2. However, the severe capacity fading in P3-type Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 hinders its practical utilization as cathode for sodium ion batteries. Using X-ray absorption spectroscopy (XAS) measurements we investigate the redox mechanism of Mn and Ni and the local structural changes around Mn and Ni during cycling. The experiments show that the preferential occupancy of Na around Ni and the high redox activity of Ni mainly affect the expansion and shrinkage of TMO2 layers resulting in capacity fading in P3-type material. In order to improve the cycling performance of P3-type material, we design a special core-shell design method to produce P3-type Na0.67Mn0.67Ni0.33O2. The core of the precursor is designed as Ni rich material and the shell is as Mn rich material. The core-shell designed P3-type material delivers higher specific capacity (240 mAh∙g-1) in the voltage range 1.5 - 4.5 V and better cycling performance in the range 2.0 - 4.1 V. The rate capabilities of the core-shell designed P3-type material are better than those of the normal P3-type material. Using operando XRD measurements, we investigate the structural evolution of P3-type materials. In the following, the core-shell designed P3-type Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 is utilized as cathode for fast cycled sodium ion batteries. The cycling retention of P3-type material with core-shell structure is 89% after 1500 cycles of fast charge and discharge. Using XAS, we investigate the redox mechanism of Mn and Ni during fast and slow cycling. The reason for better cycling performance of the core-shell designed P3-type material is further studied from the sight of local structural changes around Mn and Ni.en
dc.description.abstractP2- und P3-Na0.67Mn0.67Ni0.33O2-Materialien sind mögliche Kathoden für Natriumionenbatterien. Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 vom P3-Typ zeigt eine höhere anfängliche Entladekapazität (233 mAh∙g-1) im Spannungsbereich von 1,5 bis 4,5 V als Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 vom P2-Typ. Das starke Nachlassen der Kapazität von Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 vom P3-Typ behindert jedoch seine praktische Verwendung als Kathode für Natriumionenbatterien. Mit Röntgenabsorptionsspektroskopiemessungen (XAS) untersuchen wir den Redoxmechanismus von Mn und Ni und die lokalen Strukturänderungen um Mn und Ni während des Zyklus. Die Experimente zeigen, dass die bevorzugte Besetzung von Na um Ni und die hohe Redoxaktivität von Ni hauptsächlich die Ausdehnung und Schrumpfung von TMO2-Schichten beeinflussen, was zu einem Kapazitätsschwund in Material vom P3-Typ führt. Um die Zyklenfestigkeit von P3-Material zu verbessern, entwickeln wir eine spezielle Core-Shell-Konstruktionsmethode zur Herstellung von Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 vom P3-Typ. Der Kern der Vorstufe ist als Ni-reiches Material und die Hülle als Mn-reiches Material ausgeführt. Das Core-Shell-Material vom P3-Typ bietet eine höhere spezifische Kapazität (240 mAh∙g-1) im Spannungsbereich von 1,5 bis 4,5 V und eine bessere Zyklenleistung im Bereich von 2,0 bis 4,1 V. Die Leistungsfähigkeit des Core-Shell-Materials Material vom Typ P3 ist besser als das normale Material vom P3-Typ. Mit Hilfe von Operando-XRD-Messungen untersuchen wir die strukturelle Entwicklung von Materialien vom Typ P3. Im Folgenden wird die Core-Shell-Lösung vom P3-Typ Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 als Kathode für schnell zyklische Natriumionenbatterien verwendet. Die zyklische Retention von P3-Material mit Core-Shell-Struktur beträgt nach 1500 Zyklen schnellem Laden und Entladen 89%. Mit XAS untersuchen wir den Redoxmechanismus von Mn und Ni während des schnellen und langsamen Zyklus. Der Grund für eine bessere Zyklenleistung des Kern-Schale-Materials vom P3-Typ wird unter dem Gesichtspunkt lokaler Strukturänderungen um Mn und Ni weiter untersucht.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10413
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9365
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/en
dc.subject.ddc540 Chemie und zugeordnete Wissenschaftende
dc.subject.othercathodesen
dc.subject.othersodium ion batteriesen
dc.subject.otherEXAFSen
dc.subject.otherlocal structureen
dc.subject.otherKathodende
dc.subject.otherNatriumionenbatteriende
dc.subject.otherlokale Strukturde
dc.titleElectrochemical performance and structural changes of Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 as cathode for sodium ion batteriesen
dc.title.translatedElektrochemische Leistung und Strukturänderungen von Na0.67Mn0.67Ni0.33O2 als Kathode für Natriumionenbatteriende
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien::FG Struktur und Eigenschaften von Materialiende
tub.affiliation.facultyFak. 3 Prozesswissenschaftende
tub.affiliation.groupFG Struktur und Eigenschaften von Materialiende
tub.affiliation.instituteInst. Werkstoffwissenschaften und -technologiende
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