Published September 15, 2023 | Version v1
Publication Open

Effects of the Mn/Ni Ratio on the Battery Performance of Layered Na-Ni-Mn Oxide Cathode Materials in Sodium-ion Batteries

Creators

  • 1. Jiangxi University of Science and Technology
  • 2. University of Science and Technology

Description

Abstract The development of efficient sodium-ion batteries is essential to overcome the issue of limited lithium sources for preparing lithium-ion batteries. Layered Mn-based cathode materials have significant application potential because of their simple structure and high specific capacities. However, sodium-ion batteries with these cathode materials demonstrate considerable voltage attenuation and phase transition during battery operation. To eliminate these issues, in this study, we investigated the effects of different Mn/Ni ratios in Na-Ni-Mn cathode materials on their structural stability and electrochemical performances. Na0.8MnO2 (NNM-8010), Na0.8Ni0.1Mn0.9O2 (NNM-819), Na0.8Ni0.2Mn0.8O2 (NNM-828), and Na0.8Ni0.3Mn0.7O2 (NNM-837) were synthesized and characterized using X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and electrochemical analyses. The addition of Ni + increased the Mn oxidation state from + 3 to + 4, thus reducing the Jahn–Teller effect of Mn 3+ and stabilizing the material structure. NNM-819 exhibited the best electrochemical performance. Its initial discharge specific capacity was 198.5mAh g − 1 at a current density of 0.2C, and the capacity retention rate after 100 cycles was 86.9% at 0.5C. Moreover, its capacity retention rate at 1.0C high-rate cycling after 100 cycles remained high 81.9%.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة يعد تطوير بطاريات أيونات الصوديوم الفعالة أمرًا ضروريًا للتغلب على مشكلة مصادر الليثيوم المحدودة لإعداد بطاريات أيونات الليثيوم. تتمتع مواد الكاثود الطبقية القائمة على المنغنيز بإمكانية تطبيق كبيرة بسبب هيكلها البسيط وقدراتها النوعية العالية. ومع ذلك، تُظهر بطاريات أيون الصوديوم المزودة بمواد الكاثود هذه توهينًا كبيرًا للجهد وانتقالًا في الطور أثناء تشغيل البطارية. للقضاء على هذه المشكلات، قمنا في هذه الدراسة بالتحقيق في تأثيرات نسب المنغنيز/النيكل المختلفة في مواد الكاثود Na - Ni - Mn على ثباتها الهيكلي وأدائها الكهروكيميائي. تم تصنيع وتمييز كل من Na0.8MnO2 (NNM -8010)، و Na0.8Ni0.1Mn0.9O2 (NNM -819)، و Na0.8Ni0.2Mn0.8O2 (NNM -828)، و Na0.8Ni0.3Mn0.7O2 (NNM -837) باستخدام حيود الأشعة السينية، والمطياف الإلكتروني الضوئي بالأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني للمسح الضوئي، والمجهر الإلكتروني للإرسال، والتحليلات الكهروكيميائية. أدت إضافة النيكل + إلى زيادة حالة أكسدة المنغنيز من + 3 إلى + 4، وبالتالي تقليل تأثير Jahn - Teller من المنغنيز + 3 وتثبيت الهيكل المادي. أظهر NNM -819 أفضل أداء كهروكيميائي. كانت سعته المحددة الأولية للتفريغ 198.5 مللي أمبير في الساعة - 1 بكثافة حالية 0.2 درجة مئوية، وكان معدل الاحتفاظ بالسعة بعد 100 دورة 86.9 ٪ عند 0.5 درجة مئوية. علاوة على ذلك، ظل معدل الاحتفاظ بالقدرة عند 1.0 درجة مئوية بعد 100 دورة مرتفعًا بنسبة 81.9 ٪.

Translated Description (French)

Résumé Le développement de batteries sodium-ion efficaces est essentiel pour surmonter le problème des sources limitées de lithium pour la préparation des batteries lithium-ion. Les matériaux de cathode à base de Mn stratifiés ont un potentiel d'application important en raison de leur structure simple et de leurs capacités spécifiques élevées. Cependant, les batteries sodium-ion avec ces matériaux de cathode présentent une atténuation de tension et une transition de phase considérables pendant le fonctionnement de la batterie. Pour éliminer ces problèmes, dans cette étude, nous avons étudié les effets de différents rapports Mn/Ni dans les matériaux de cathode Na-Ni-Mn sur leur stabilité structurelle et leurs performances électrochimiques. Na0,8MnO2 (NNM-8010), Na0,8Ni0,1Mn0,9O2 (NNM-819), Na0,8Ni0,2Mn0,8O2 (NNM-828) et Na0,8Ni0,3Mn0,7O2 (NNM-837) ont été synthétisés et caractérisés en utilisant la diffraction des rayons X, la spectroscopie photoélectronique des rayons X, la microscopie électronique à balayage, la microscopie électronique à transmission et les analyses électrochimiques. L'ajout de Ni + a augmenté l'état d'oxydation du Mn de + 3 à + 4, réduisant ainsi l'effet Jahn–Teller du Mn 3+ et stabilisant la structure du matériau. Le NNM-819 a présenté les meilleures performances électrochimiques. Sa capacité spécifique de décharge initiale était de 198,5 mAh g − 1 à une densité de courant de 0,2 C, et le taux de rétention de capacité après 100 cycles était de 86,9 % à 0,5 C. De plus, son taux de rétention de capacité à 1,0 C de cyclisme à haut débit après 100 cycles est resté élevé à 81,9 %.

Translated Description (Spanish)

Resumen El desarrollo de baterías de iones de sodio eficientes es esencial para superar el problema de las fuentes limitadas de litio para la preparación de baterías de iones de litio. Los materiales de cátodo a base de Mn en capas tienen un potencial de aplicación significativo debido a su estructura simple y altas capacidades específicas. Sin embargo, las baterías de iones de sodio con estos materiales catódicos demuestran una atenuación considerable del voltaje y una transición de fase durante el funcionamiento de la batería. Para eliminar estos problemas, en este estudio, investigamos los efectos de diferentes relaciones Mn/Ni en materiales de cátodo de Na-Ni-Mn sobre su estabilidad estructural y rendimiento electroquímico. Na0.8MnO2 (NNM-8010), Na0.8Ni0.1Mn0.9O2 (NNM-819), Na0.8Ni0.2Mn0.8O2 (NNM-828) y Na0.8Ni0.3Mn0.7O2 (NNM-837) se sintetizaron y caracterizaron utilizando difracción de rayos X, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión y análisis electroquímicos. La adición de Ni + aumentó el estado de oxidación de Mn de + 3 a + 4, reduciendo así el efecto Jahn–Teller de Mn 3+ y estabilizando la estructura del material. NNM-819 mostró el mejor rendimiento electroquímico. Su capacidad específica de descarga inicial fue de 198.5 mAh g − 1 a una densidad de corriente de 0.2C, y la tasa de retención de capacidad después de 100 ciclos fue del 86.9% a 0.5C. Además, su tasa de retención de capacidad a ciclos de alta tasa de 1.0C después de 100 ciclos se mantuvo alta 81.9%.

Files

latest.pdf.pdf

Files (4.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:10eb09f491e6cfe0c6686ac81214fb94
4.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تأثيرات نسبة المنغنيز/النيكل على أداء البطارية لمواد كاثود أكسيد الناي- ني- المنغنيز في بطاريات أيون الصوديوم
Translated title (French)
Effets du rapport Mn/Ni sur les performances de la batterie des matériaux de cathode à oxyde Na-Ni-Mn en couches dans les batteries sodium-ion
Translated title (Spanish)
Efectos de la relación Mn/Ni en el rendimiento de la batería de materiales de cátodo de óxido de Na-Ni-Mn en capas en baterías de iones de sodio

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4386761437
DOI
10.21203/rs.3.rs-3345216/v1

Is supplement to
https://openalex.org/W2092146376 (Other)
https://openalex.org/W1479926251 (Other)
https://openalex.org/W3004205087 (Other)
https://openalex.org/W2369132183 (Other)
https://openalex.org/W2079247110 (Other)
https://openalex.org/W3194675023 (Other)
https://openalex.org/W1987326906 (Other)
https://openalex.org/W2065177602 (Other)
https://openalex.org/W3209780924 (Other)
https://openalex.org/W2089500893 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Yemen

References

  • https://openalex.org/W2099863509
  • https://openalex.org/W2133198604
  • https://openalex.org/W2491597946
  • https://openalex.org/W2550874123
  • https://openalex.org/W2609490251
  • https://openalex.org/W2794246365
  • https://openalex.org/W2810415145
  • https://openalex.org/W2908276957
  • https://openalex.org/W2916590291
  • https://openalex.org/W2946660887
  • https://openalex.org/W2950821605
  • https://openalex.org/W2999179017
  • https://openalex.org/W3010039802
  • https://openalex.org/W3082889974
  • https://openalex.org/W3127169448
  • https://openalex.org/W3156577582
  • https://openalex.org/W3195293875
  • https://openalex.org/W3198587714
  • https://openalex.org/W4210562537
  • https://openalex.org/W4210922607
  • https://openalex.org/W4213310722
  • https://openalex.org/W4220938081
  • https://openalex.org/W4223575718
  • https://openalex.org/W4283074228
  • https://openalex.org/W4312084897
  • https://openalex.org/W4313560444
  • https://openalex.org/W4379877204