Transition-metal layered oxides (such as P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2) are suggested as one type of the most potential cathode candidates for sodium ion batteries (SIBs) owing to their high capacity and low cost; however, they suffer from the structural damage and sluggish Na+ kinetics resulting from the undesirable phase transformation of P2−O2 and the Na+/vacancy ordering, respectively. Herein, a Mg/Ti co-doped P2-Na0.67Ni0.28Mg0.05Mn0.62Ti0.05O2 layered oxide is demonstrated as a high-efficiency cathode material for SIBs. The cathode delivers a high reversible capacity of 135.5 mAh g−1, good cycling stability (82.7 mAh g−1 upon 100 cycles at 0.1C), and an attractive energy density of 479.4 Wh Kg−1. Furthermore, the phase transition from the undesirable P2−O2 to the reversible P2−OP4 demonstrated by in situ XRD and the partially suppressed Na+/vacancy ordering as well as the improved electronic and ionic conductivities all give rise to the enhancement. These results show the important role of cationic co-doping in designing and preparing high-efficiency layered oxide cathode materials for SIBs.

1.
M.
Li
,
J.
Lu
,
Z.
Chen
, and
K.
Amine
,
Adv. Mater.
30
,
1800561
(
2018
).
2.
B.
Huang
,
Z.
Pan
,
X.
Su
, and
L.
An
,
J. Power Sources
399
,
274
(
2018
).
3.
M.
Lao
,
Y.
Zhang
,
W.
Luo
,
Q.
Yan
,
W.
Sun
, and
S. X.
Dou
,
Adv. Mater.
29
,
1700622
(
2017
).
4.
S.
Gao
,
N.
Wang
,
S.
Li
,
D.
Li
,
Z.
Cui
,
G.
Yue
,
J.
Liu
,
X.
Zhao
,
L.
Jiang
, and
Y.
Zhao
,
Angew. Chem. Int. Ed.
59
,
2465
(
2020
).
5.
F.
Lv
,
Y.
Zhang
,
M.
Wu
, and
Y.
Gu
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
023903
(
2021
).
6.
P. K.
Nayak
,
L.
Yang
,
W.
Brehm
, and
P.
Adelhelm
,
Angew. Chem. Int. Ed.
57
,
102
(
2018
).
7.
S.
Dou
,
L.
Tao
,
R.
Wang
,
S. E.
Hankari
,
R.
Chen
, and
S.
Wang
,
Adv. Mater.
30
,
1705850
(
2018
).
8.
H. S.
Hirsh
,
Y.
Li
,
D. H. S.
Tan
,
M.
Zhang
,
E.
Zhao
, and
Y. S.
Meng
,
Adv. Energy Mater.
10
,
2001274
(
2020
).
9.
W.
Li
,
N.
Zhao
,
Z.
Bi
, and
X.
Guo
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
033901
(
2022
).
10.
Z. Y.
Gu
,
J. Z.
Guo
,
Z. H.
Sun
,
X. X.
Zhao
,
X. T.
Wang
,
H. J.
Liang
,
X. L.
Wu
, and
Y.
Liu
,
Cell Rep. Phys. Sci.
2
,
100665
(
2021
).
11.
H.
Zhu
,
Z.
Li
,
F.
Xu
,
Z.
Qin
,
R.
Sun
,
C.
Wang
,
S.
Lu
,
Y.
Zhang
, and
H.
Fan
,
J. Colloid Interface Sci.
611
,
718
(
2022
).
12.
Z. X.
Huang
,
X. L.
Zhang
,
X. X.
Zhao
,
Y. L.
Heng
,
T.
Wang
,
H.
Geng
, and
X. L.
Wu
, “
Hollow Na0.62K0.05Mn0.7Ni0.2Co0.1O2 polyhedra with exposed stable {001} facets and K riveting for sodium-ion batteries
,”
Sci. China Mater.
(published online
2022
).
13.
Z.
Li
,
W.
Kong
,
Y.
Yu
,
J.
Zhang
,
D.
Wong
,
Z.
Xu
,
Z.
Chen
,
C.
Schulz
,
M.
Bartkowiak
, and
X.
Liu
,
Angew. Chem. Int. Ed.
61
,
e202115552
(
2022
).
14.
F.
Wang
,
B.
Peng
,
S.
Zeng
,
L.
Zhao
,
X.
Zhang
,
G.
Wan
,
H.
Zhang
, and
G.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
32
,
2202665
(
2022
).
15.
J.
Deng
,
W. B.
Luo
,
S. L.
Chou
,
H. K.
Liu
, and
S. X.
Dou
,
Adv. Energy Mater.
8
,
1701428
(
2018
).
16.
G. L.
Xu
,
R.
Amine
,
Y. F.
Xu
,
J.
Liu
,
J.
Gim
,
T.
Ma
,
Y.
Ren
,
C.-J.
Sun
,
Y.
Liu
,
X.
Zhang
,
S. M.
Heald
,
A.
Solhy
,
I.
Saadoune
,
W. L.
Mattis
,
S. G.
Sun
,
Z.
Chen
, and
K.
Amine
,
Energy Environ. Sci.
10
,
1677
(
2017
).
17.
A.
Bhardwaj
,
J.
Kaur
,
M.
Wuest
, and
F.
Wuest
,
Nat. Commun.
8
,
1
(
2017
).
18.
P. F.
Wang
,
Y.
You
,
Y. X.
Yin
,
Y. S.
Wang
,
L. J.
Wan
,
L.
Gu
, and
Y. G.
Guo
,
Angew. Chem. Int. Ed.
55
,
7445
(
2016
).
19.
Q.
Li
,
S.
Xu
,
S.
Guo
,
K.
Jiang
,
X.
Li
,
M.
Jia
,
P.
Wang
, and
H.
Zhou
,
Adv. Mater.
32
,
1907936
(
2020
).
20.
L.
Yu
,
Z.
Cheng
,
K.
Xu
,
Y. X.
Chang
,
Y. H.
Feng
,
D.
Si
,
M.
Liu
,
P. F.
Wang
, and
S.
Xu
,
Energy Storage Mater.
50
,
730
(
2022
).
21.
Z.
Cheng
,
X. Y.
Fan
,
L.
Yu
,
W.
Hua
,
Y. J.
Guo
,
Y. H.
Feng
,
F. D.
Ji
,
M.
Liu
,
Y. X.
Yin
,
X.
Han
,
Y. G.
Guo
, and
P. F.
Wang
,
Angew. Chem. Int. Ed. Engl.
61
,
e202117728
(
2022
).
22.
Z.
Lu
and
J. R.
Dahn
,
J. Electrochem. Soc.
148
,
A1225
(
2001
).
23.
X.
Zheng
,
P.
Li
,
H.
Zhu
,
K.
Rui
,
G.
Zhao
,
J.
Shu
,
X.
Xu
,
W.
Sun
, and
S. X.
Dou
,
Energy Storage Mater.
15
,
257
(
2018
).
24.
X.
Cai
,
Y.
Xu
,
L.
Meng
,
X.
Wei
,
F.
Xiong
,
T.
Xiong
, and
Q.
An
,
J. Alloys Compds.
820
,
153093
(
2020
).
25.
Y. X.
Chang
,
L.
Yu
,
X.
Xing
,
Y. J.
Guo
,
Z. Y.
Xie
, and
S.
Xu
,
Chem. Rec.
22
,
e202200122
(
2022
).
26.
Z.
Cheng
,
B.
Zhao
,
Y. J.
Guo
,
L.
Yu
,
B.
Yuan
,
W.
Hua
,
Y. X.
Yin
,
S.
Xu
,
B.
Xiao
,
X.
Han
,
P. F.
Wang
, and
Y. G.
Guo
,
Adv. Energy Mater.
12
,
2103461
(
2022
).
27.
T.
Jin
,
P. F.
Wang
,
Q. C.
Wang
,
K.
Zhu
,
T.
Deng
,
J.
Zhang
,
W.
Zhang
,
X. Q.
Yang
,
L.
Jiao
, and
C.
Wang
,
Angew. Chem. Int. Ed.
59
,
14511
(
2020
).
28.
B.
Peng
,
Z.
Sun
,
L.
Zhao
,
J.
Li
, and
G.
Zhang
,
Energy Storage Mater.
35
,
620
(
2021
).
29.
C.
Zhao
,
Z.
Yao
,
Q.
Wang
,
H.
Li
,
J.
Wang
,
M.
Liu
,
S.
Ganapathy
,
Y.
Lu
,
J.
Cabana
,
B.
Li
,
X.
Bai
,
A.
Aspuru-Guzik
,
M.
Wagemaker
,
L.
Chen
, and
Y. S.
Hu
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
5742
(
2020
).
30.
X.
Wu
,
J.
Guo
,
D.
Wang
,
G.
Zhong
,
M. J.
McDonald
, and
Y.
Yang
,
J. Power Sources
281
,
18
(
2015
).
31.
H. V.
Ramasamy
,
K.
Kaliyappan
,
R.
Thangavel
,
V.
Aravindan
,
K.
Kang
,
D. U.
Kim
,
Y.
Park
,
X.
Sun
, and
Y. S.
Lee
,
J. Mater. Chem. A
5
,
8408
(
2017
).
32.
Q.
Yang
,
P. F.
Wang
,
J. Z.
Guo
,
Z. M.
Chen
,
W. L.
Pang
,
K. C.
Huang
,
Y. G.
Guo
,
X. L.
Wu
, and
J. P.
Zhang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
34272
(
2018
).
33.
G.
Singh
,
N.
Tapia-Ruiz
,
J. M. L.
del Amo
,
U.
Maitra
,
J. W.
Somerville
,
A. R.
Armstrong
,
J. M.
de Ilarduya
,
T.
Rojo
, and
P. G.
Bruce
,
Chem. Mater.
28
,
5087
(
2016
).
34.
L.
Zheng
,
J.
Li
, and
M. N.
Obrovac
,
Chem. Mater.
29
,
1623
(
2017
).
35.
J.
Feng
,
S. H.
Luo
,
J.
Wang
,
P.
Li
,
S.
Yan
,
J.
Li
,
P. Q.
Hou
,
Q.
Wang
,
Y.
Zhang
, and
X.
Liu
,
ACS Sustainable Chem. Eng.
10
,
4994
(
2022
).
36.
H. R.
Yao
,
P. F.
Wang
,
Y.
Gong
,
J.
Zhang
,
X.
Yu
,
L.
Gu
,
C.
OuYang
,
Y. X.
Yin
,
E.
Hu
,
X. Q.
Yang
,
E.
Stavitski
,
Y. G.
Guo
, and
L. J.
Wan
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
8440
(
2017
).
37.
P.
Zhou
,
Z.
Che
,
F.
Ma
,
J.
Zhang
,
J.
Weng
,
X.
Wu
,
Z.
Miao
,
H.
Lin
,
J.
Zhou
, and
S.
Zhuo
,
Chem. Eng. J.
420
,
127667
(
2021
).
38.
J. N.
Zhang
,
Q.
Li
,
C.
Ouyang
,
X.
Yu
,
M.
Ge
,
X.
Huang
,
E.
Hu
,
C.
Ma
,
S.
Li
,
R.
Xiao
,
W.
Yang
,
Y.
Chu
,
Y.
Liu
,
H.
Yu
,
X. Q.
Yang
,
X.
Huang
,
L.
Chen
, and
H.
Li
,
Nat. Energy
4
,
594
(
2019
).
39.
X.
Zhang
,
K.
Jiang
,
S.
Guo
,
X.
Mu
,
X.
Zhang
,
P.
He
,
M.
Han
, and
H.
Zhou
,
Chem. Commun.
54
,
12167
(
2018
).
40.
H.
Liu
,
X.
Gao
,
J.
Chen
,
J.
Gao
,
S.
Yin
,
S.
Zhang
,
L.
Yang
,
S.
Fang
,
Y.
Mei
,
X.
Xiao
,
L.
Chen
,
W.
Deng
,
F.
Li
,
G.
Zou
,
H.
Hou
, and
X.
Ji
,
J. Power Sources
508
,
230324
(
2021
).
41.
P. F.
Wang
,
H. R.
Yao
,
X. Y.
Liu
,
Y. X.
Yin
,
J. N.
Zhang
,
Y.
Wen
,
X.
Yu
,
L.
Gu
, and
Y. G.
Guo
,
Sci. Adv.
4
,
eaar6018
(
2018
).
42.
L.
Yu
,
X. X.
Xing
,
S. Y.
Zhang
,
X.
Zhang
,
X.
Han
,
P. F.
Wang
, and
S.
Xu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
32948
(
2021
).
43.
Y. N.
Zhou
,
P. F.
Wang
,
X. D.
Zhang
,
L. B.
Huang
,
W. P.
Wang
,
Y. X.
Yin
,
S.
Xu
, and
Y. G.
Guo
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
24184
(
2019
).
44.
Y.
Huang
,
Z.
Yan
,
W.
Luo
,
Z.
Hu
,
G.
Liu
,
L.
Zhang
,
X.
Yang
,
M.
Ou
,
W.
Liu
,
L.
Huang
,
H.
Lin
,
C. T.
Chen
,
J.
Luo
,
S.
Li
,
J.
Han
,
S.
Chou
, and
Y.
Huang
,
Energy Storage Mater.
29
,
182
(
2020
).
45.
C.
Zhao
,
Q.
Wang
,
Z.
Yao
,
J.
Wang
,
B.
Sanchez-Lengeling
,
F.
Ding
,
X.
Qi
,
Y.
Lu
,
X.
Bai
,
B.
Li
,
H.
Li
,
A.
Aspuru-Guzik
,
X.
Huang
,
C.
Delmas
,
M.
Wagemaker
,
L.
Chen
, and
Y. S.
Hu
,
Science
370
,
708
(
2020
).
46.
R.
Luo
,
N.
Zhang
,
J.
Wang
,
W.
Qu
,
L.
Li
,
F.
Wu
, and
R.
Chen
,
Electrochim. Acta
368
,
137614
(
2021
).
47.
C.
Zhang
,
R.
Gao
,
L.
Zheng
,
Y.
Hao
, and
X.
Liu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
10819
(
2018
).
48.
J. L.
Yue
,
Y. N.
Zhou
,
X.
Yu
,
S. M.
Bak
,
X. Q.
Yang
, and
Z. W.
Fu
,
J. Mater. Chem. A
3
,
23261
(
2015
).
49.
D.
Pahari
and
S.
Puravankara
,
J. Power Sources
455
,
227957
(
2020
).
50.
K.
Tang
,
X.
Yu
,
J.
Sun
,
H.
Li
, and
X.
Huang
,
Electrochim. Acta
56
,
4869
(
2011
).
51.
S.
Guo
,
H.
Yu
,
Z.
Jian
,
P.
Liu
,
Y.
Zhu
,
X.
Guo
,
M.
Chen
,
M.
Ishida
, and
H.
Zhou
,
ChemSusChem
7
,
2115
(
2014
).
52.
S. N.
Lim
,
J. Y.
Seo
,
D. S.
Jung
,
W.
Ahn
,
H. S.
Song
,
S. H.
Yeon
, and
S. B.
Park
,
J. Alloys Compd.
623
,
55
(
2015
).
53.
Y. F.
Zhu
,
Y.
Xiao
,
W. B.
Hua
,
S.
Indris
,
S. X.
Dou
,
Y. G.
Guo
, and
S. L.
Chou
,
Angew. Chem. Int. Ed.
59
,
9299
(
2020
).
54.
N.
Tapia-Ruiz
,
W. M.
Dose
,
N.
Sharma
,
H.
Chen
,
J.
Heath
,
J. W.
Somerville
,
U.
Maitra
,
M. S.
Islam
, and
P. G.
Bruce
,
Energy Environ. Sci.
11
,
1470
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.