Review-Manganese-based P2-type transition metal oxides as sodium-ion battery cathode materials

Journal of the Electrochemical Society

Volumn 162, Issue 14, 2015, Pages A2589-A2604

  Clément, Raphaële J ^a   Bruce, Peter G ^b   Grey, Clare P ^a  

^a UNIVERSITY OF CAMBRIDGE   (United Kingdom)

^b UNIVERSITY OF OXFORD   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CATHODES; ELECTRIC BATTERIES; ELECTRODES; IONS; LITHIUM; MANGANESE; MANGANESE COMPOUNDS; MANGANESE OXIDE; METAL IONS; METALS; SECONDARY BATTERIES; SODIUM COMPOUNDS; TRANSITION METALS; X RAY DIFFRACTION;

CATH-ODE MATERIALS; ELECTROCHEMICAL CYCLING; ORDERING TRANSITIONS; SODIUM ION BATTERIES; SOLID-STATE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE; STRUCTURAL FRAMEWORKS; STRUCTURAL REARRANGEMENT; TRANSITION-METAL OXIDES;

TRANSITION METAL COMPOUNDS;

EID: 84946019418     PISSN: 00134651     EISSN: 19457111     Source Type: Journal    
DOI: 10.1149/2.0201514jes     Document Type: Review

References (129)

1. M. M. Doeff, Y. Ma, S. J. Visco, and L. C. De Jonghe, J. Electrochem. Soc., 140, L169 (1993).
2. D. A. Stevens and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 147, 1271 (2000).
3. D. A. Stevens and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 148, A803 (2001).
4. N. Yabuuchi, R. Hara, K. Kubota, J. Paulsen, S. Kumakura, and S. Komaba, J. Mater. Chem. A, 2, 16851 (2014).
5. D. Buchholz, C. Vaalma, L. G. Chagas, and S. Passerini, J. Power Sources, 282, 581 (2015).
6. N. Yabuuchi, M. Kajiyama, J. Iwatate, H. Nishikawa, S. Hitomi, R. Okuyama, R. Usui, Y. Yamada, and S. Komaba, Nat. Mater., 11, 512 (2012).
7. X. Ma, H. Chen, and G. Ceder, J. Electrochem. Soc., 158, A1307 (2011).
8. J. Billaud, R. J. Clément, A. R. Armstrong, J. Canales-Vázquez, P. Rozier, C. P. Grey, and P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc., 136, 17243 (2014).
9. J. Xu, D. H. Lee, R. J. Clément, X. Yu, M. Leskes, A. J. Pell, G. Pintacuda, X.-Q. Yang, C. P. Grey, and Y. S. Meng, Chem. Mater., 26, 1260 (2014).
10. Z. Lu and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 148, A1225 (2001).
11. D. H. Lee, J. Xu, and Y. S. Meng, Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 3304 (2013).
12. J. Billaud, G. Singh, A. R. Armstrong, E. Gonzalo, V. Roddatis, M. Armand, T. Rojo, and P. G. Bruce, Energy Environ. Sci., 7, 1387 (2014).
13. N. Yabuuchi, R. Hara, M. Kajiyama, K. Kubota, T. Ishigaki, A. Hoshikawa, and S. Komaba, Adv. Energy Mater., 4, 1301453 (2014).
14. H. Yoshida, N. Yabuuchi, and S. Komaba, Electrochem. Commun., 34, 60 (2013).
15. X. Wang, M. Tamaru, M. Okubo, and A. Yamada, J. Phys. Chem. C, 117, 15545 (2013).
16. P. Vassilaras, A. J. Toumar, and G. Ceder, Electrochem. Commun., 38, 79 (2014).
17. S. Komaba, N. Yabuuchi, T. Nakayama, A. Ogata, T. Ishikawa, and I. Nakai, Inorg. Chem., 51, 6211 (2012).
18. F. Sauvage, L. Laffont, J.-M. Tarascon, and E. Baudrin, Inorg. Chem., 46, 3289 (2007).
19. H. Kim, I. Park, D.-H. Seo, S. Lee, S.-W. Kim, W. J. Kwon, Y.-U. Park, C. S. Kim, S. Jeon, and K. Kang, J. Am. Chem. Soc., 134, 10369 (2012).
20. Y. Kawabe, N. Yabuuchi, M. Kajiyama, N. Fukuhara, T. Inamasu, R. Okuyama, I. Nakai, and S. Komaba, Electrochem. Commun., 13, 1225 (2011).
21. H. Chen, Q. Hao, O. Zivkovic, G. Hautier, L.-S. Du, Y. Tang, Y.-Y. Hu, X. Ma, C. P. Grey, and G. Ceder, Chem. Mater., 25, 2777 (2013).
22. P. Barpanda, G. Oyama, S.-I. Nishimura, S.-C. Chung, and A. Yamada, Nat. Commun., 5, 4358 (2014).
23. Z. Jian, L. Zhao, H. Pan, Y.-S. Hu, H. Li, W. Chen, and L. Chen, Electrochem. Commun., 14, 86 (2012).
24. J. Barker, M. Y. Saidi, and J. L. Swoyer, Electrochem. Solid-State Lett., 6, A1 (2003).
25. Y.-U. Park, D.-H. Seo, H.-S. Kwon, B. Kim, J. Kim, H. Kim, I. Kim, H.-I. Yoo, and K. Kang, J. Am. Chem. Soc., 135, 13870 (2013).
26. S.-M. Oh, S.-T. Myung, J. Hassoun, B. Scrosati, and Y.-K. Sun, Electrochem. Commun., 22, 149 (2012).
27. A. K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, and J. B. Goodenough, J. Electrochem. Soc., 144, 1188 (1997).
28. J. N. Reimers and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 139, 2091 (1992).
29. T. Ohzuku and Y. Makimura, Chem. Lett., 8, 744 (2001).
30. T. Ohzuku and Y. Makimura, Chem. Lett., 7, 642 (2001).
31. J. Yang, X. Han, X. Zhang, F. Cheng, and J. Chen, Nano Res., 6, 679 (2013).
32. S.-M. Bak, K.-W. Nam, W. Chang, X. Yu, E. Hu, S. Hwang, E. A. Stach, K.-B. Kim, K.-Y. Chung, and X.-Q. Yang, Chem. Mater., 25, 337 (2013).
33. M. M. Doeff, Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL Paper LBNL-3652E: http://escholarship.org/uc/item/1n55870s (2011).
34. P. Strobel, A. Ibarra Palos, and M. Anne, J. Power Sources, 97-98, 381 (2001).
35. R. Alcántara, P. Lavela, J. L. Tirado, E. Zhecheva, and R. Stoyanova, J. Solid State Electrochem., 3, 121 (1999).
36. A. Caballero, L. Hernán, J. Morales, L. Sánchez, J. S. Peña, and M. A. G. Aranda, J. Mater. Chem., 12, 1142 (2002).
37. M. Aryanpour, L. Miara, and Y. G. Ryu, J. Electrochem. Soc., 162, A511 (2015).
38. C. Fouassier, C. Delmas, and P. Hagenmuller, Mater. Res. Bull., 10, 443 (1975).
39. C. Delmas, C. Fouassier, and P. Hagenmuller, Physica B+C, 99, 81 (1980).
40. J. M. Paulsen, R. A. Donaberger, and J. R. Dahn, Chem. Mater., 12, 2257 (2000).
41. S.-T. Myung, S. Komaba, N. Hirosaki, and N. Kumagai, Electrochem. Commun., 4, 397 (2002).
42. S. Komaba, C. Takei, T. Nakayama, A. Ogata, and N. Yabuuchi, Electrochem. Commun., 12, 355 (2010).
43. C.-Y. Yu, J.-S. Park, H.-G. Jung, K.-Y. Chung, D. Aurbach, Y.-K. Sun, and S.-T. Myung, Energy Environ. Sci., 8, 2019 (2015).
44. Y. Takeda, K. Nakahara, M. Nishijima, and N. Imanishi, Mater. Res. Bull., 29, 659 (1994).
45. N. Yabuuchi, H. Yoshida, and S. Komaba, Electrochemistry, 80, 716 (2012).
46. H. Kobayashi, H. Shigemura, M. Tabuchi, H. Sakaebe, K. Ado, H. Kageyama, A. Hirano, R. Kanno, M. Wakita, S. Morimoto, and S. Nasu, J. Electrochem. Soc., 147, 960 (2000).
47. M. S. Whittingham, Chem. Rev., 114, 11414 (2014).
48. E. Zhecheva, R. Stoyanova, R. Alcántara, P. Lavela, and J. L. Tirado, Pure Appl. Chem., 74, 1885 (2002).
49. M. H. Han, E. Gonzalo, M. Casas-Cabanas, and T. Rojo, J. Power Sources, 258, 266 (2014).
50. P. Vassilaras, X. Ma, X. Li, and G. Ceder, J. Electrochem. Soc., 160, A207 (2013).
51. M. Guilmard, L. Croguennec, A. D. Denux, and C. Delmas, Chem. Mater., 15, 4476 (2003).
52. L. Croguennec and M. R. Palacin, J. Am. Chem. Soc., 137, 3140 (2015).
53. S. Kim, X. Ma, S. P. Ong, and G. Ceder, Phys. Chem. Chem. Phys., 14, 15571 (2012).
54. S. P. Ong, V. L. Chevrier, G. Hautier, A. Jain, C. Moore, S. Kim, X. Ma, and G. Ceder, Energy Environ. Sci., 4, 3680 (2011).
55. N. Yabuuchi, M. Yano, S. Kuze, and S. Komaba, Electrochim. Acta, 82, 296 (2012).
56. X. Liu, X. Wang, A. Iyo, H. Yu, D. Li, and H. Zhou, J. Mater. Chem. A, 2, 14822 (2014).
57. Y. Lei, X. Li, L. Liu, and G. Ceder, Chem. Mater., 26, 5288 (2014).
58. G. Singh, J. M. L. del Amo, M. Galceran, S. Pérez-Villar, and T. Rojo, J. Mater. Chem. A, 3, 6954 (2015).
59. J. Ma, S.-H. Bo, L. Wu, Y. Zhu, C. P. Grey, and P. G. Khalifah, Chem. Mater., 27, 2387 (2015).
60. X. Li, D. Wu, Y.-N. Zhou, L. Liu, X.-Q. Yang, and G. Ceder, Electrochem. Commun., 49, 51 (2014).
61. S.-M. Oh, S.-T. Myung, J.-Y. Hwang, B. Scrosati, K. Amine, and Y.-K. Sun, Chem. Mater., 26, 6165 (2014).
62. B. Mortemard de Boisse, D. Carlier, M. Guignard, L. Bourgeois, and C. Delmas, Inorg. Chem., 53, 11197 (2014).
63. E. Levi and D. Aurbach, Solid State Ionics, 264, 54 (2014).
64. Y. Wang, Y. Ding, and J. Ni, J. Phys.: Condens. Matter, 21, 035401 (2009).
65. Y. Shao-Horn, L. Croguennec, C. Delmas, E. C. Nelson, and M. A. O'Keefe, Nat. Mater., 2, 464 (2003).
66. A. Van der Ven and G. Ceder, Electrochem. Solid-State Lett., 3, 301 (2000).
67. R. Berthelot, D. Carlier, and C. Delmas, Nat. Mater., 10, 74 (2010).
68. M. Roger, D. J. P. Morris, D. A. Tennant, M. J. Gutmann, J. P. Goff, J. U. Hoffmann, R. Feyerherm, E. Dudzik, D. Prabhakaran, A. T. Boothroyd, N. Shannon, B. Lake, and P. P. Deen, Nature, 445, 631 (2007).
69. M. Guignard, C. Didier, J. Darriet, P. Bordet, E. Elkäim, and C. Delmas, Nat. Mater., 12, 74 (2012).
70. A. Mendiboure, C. Delmas, and P. Hagenmuller, J. Solid State Chem., 57, 323 (1985).
71. D. Su, C. Wang, H. J. Ahn, and G. Wang, Chem. Eur. J., 19, 10884 (2013).
72. D. Carlier, J. H. Cheng, R. Berthelot, M. Guignard, M. Yoncheva, R. Stoyanova, B. J. Hwang, and C. Delmas, Dalton Trans., 40, 9306 (2011).
73. F. C. Chou, M. W. Chu, G. J. Shu, F.-T. Huang, W. W. Pai, H. S. Sheu, and P. A. Lee, Phys. Rev. Lett., 101, 127404 (2008).
74. M. Medarde, M. Mena, J. L. Gavilano, E. Pomjakushina, J. Sugiyama, K. Kamazawa, V. Y. Pomjakushin, D. Sheptyakov, B. Batlogg, H. R. Ott, M. Månsson, and F. Juranyi, Phys. Rev. Lett., 110, 266401 (2013).
75. J.-P. Parant, R. Olazcuaga, M. Devalette, C. Fouassier, and P. Hagenmuller, J. Solid State Chem., 3, 1 (1971).
76. J. B. Goodenough, Annu. Rev. Mater. Sci., 28, 1 (1998).
77. J. M. Paulsen and J. R. Dahn, Solid State Ionics, 126, 3 (1999).
78. R. Stoyanova, D. Carlier, M. Sendova-Vassileva, M. Yoncheva, E. Zhecheva, D. Nihtianova, and C. Delmas, J. Solid State Chem., 183, 1372 (2010).
79. H. Kim, D. J. Kim, D.-H. Seo, M. S. Yeom, K. Kang, D. K. Kim, and Y. Jung, Chem. Mater., 24, 1205 (2012).
80. X. Li, X. Ma, D. Su, L. Liu, R. Chisnell, S. P. Ong, H. Chen, A. Toumar, J.-C. Idrobo, Y. Lei, J. Bai, F. Wang, J. W. Lynn, Y. S. Lee, and G. Ceder, Nat. Mater., 13, 586 (2014).
81. M. E. Arroyo y de Dompablo, C. Marianetti, A. Van der Ven, and G. Ceder, Phys. Rev. B, 63, 144107 (2001).
82. N. Yabuuchi, K. Kubota, M. Dahbi, and S. Komaba, Chem. Rev., 114, 11636 (2014).
83. G. Singh, B. Acebedo, M. C. Cabanas, D. Shanmukaraj, M. Armand, and T. Rojo, Electrochem. Commun., 37, 61 (2013).
84. N. Karan, M. D. Slater, F. Dogan, D. Kim, C. S. Johnson, and M. Balasubramanian, J. Electrochem. Soc., 161, A1107 (2014).
85. D. Kim, S.-H. Kang, M. Slater, S. Rood, J. T. Vaughey, N. Karan, M. Balasubramanian, and C. S. Johnson, Adv. Energy Mater., 1, 333 (2011).
86. J. Cabana, N. A. Chernova, J. Xiao, M. Roppolo, K. A. Aldi, M. S. Whittingham, and C. P. Grey, Inorg. Chem., 52, 8540 (2013).
87. I. Hasa, D. Buchholz, S. Passerini, and J. Hassoun, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 5206 (2015).
88. E. Lee, J. Lu, Y. Ren, X. Luo, X. Zhang, J. Wen, D. Miller, A. DeWahl, S. Hackney, B. Key, D. Kim, M. D. Slater, and C. S. Johnson, Adv. Energy Mater., 4, 1400458 (2014).
89. S. Guo, P. Liu, H. Yu, Y. Zhu, M. Chen, M. Ishida, and H. Zhou, Angew. Chem. Int. Ed., 54, 5894 (2015).
90. M. M. Thackeray, S.-H. Kang, C. S. Johnson, J. T. Vaughey, R. Benedek, and S. A. Hackney, J. Mater. Chem., 17, 3112 (2007).
91. Z. Lu and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 149, A815 (2002).
92. M. M. Thackeray, S.-H. Kang, C. S. Johnson, J. T. Vaughey, R. Benedek, and S. A. Hackney, J. Mater. Chem., 17, 3112 (2007).
93. A. R. Armstrong, M. Holzapfel, P. Novák, C. S. Johnson, S.-H. Kang, M. M. Thackeray, and P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc., 128, 8694 (2006).
94. G. Ceder, Y. M. Chiang, D. R. Sadoway, M. K. Aydinol, Y. I. Jang, and B. Huang, Nature, 392, 694 (1998).
95. H. Koga, L. Croguennec, M. Ménétrier, K. Douhil, S. Belin, L. Bourgeois, E. Suard, F. Weill, and C. Delmas, J. Electrochem. Soc., 160, A786 (2013).
96. D. Qian, B. Xu, M. Chi, and Y. S. Meng, Phys. Chem. Chem. Phys., 16, 14665 (2014).
97. B. Xu, C. R. Fell, M. Chi, and Y. S. Meng, Energy Environ. Sci., 4, 2223 (2011).
98. Z. Lu and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 148, A710 (2001).
99. K. Kang, Y. S. Meng, J. Bréger, C. P. Grey, and G. Ceder, Science, 311, 977 (2006).
100. C. Delmas, A. Maazaz, C. Fouassier, J.-M. Réau, and P. Hagenmuller, Materials research bulletin, 14, 329 (1979).
101. G. J. Shu and F. C. Chou, Phys. Rev. B, 78, 052101 (2008).
102. M. A. Evstigneeva, V. B. Nalbandyan, A. A. Petrenko, B. S. Medvedev, and A. A. Kataev, Chem. Mater., 23, 1174 (2011).
103. Y. Wang, R. Xiao, Y.-S. Hu, M. Avdeev, and L. Chen, Nat. Commun., 6, 6954 (2015).
104. H. W. Zandbergen, M. Foo, Q. Xu, V. Kumar, and R. J. Cava, Phys. Rev. B, 70, 024101 (2004).
105. L. Croguennec, J. Bains, J. Bréger, C. Tessier, P. Biensan, S. Levasseur, and C. Delmas, J. Electrochem. Soc., 158, A664 (2011).
106. C. P. Grey and N. Dupré, Chem. Rev., 104, 4493 (2004).
107. J. Kim, D. S. Middlemiss, N. A. Chernova, B. Y. X. Zhu, C. Masquelier, and C. P. Grey, J. Am. Chem. Soc., 132, 16825 (2010).
108. R. K. Harris, E. D. Becker, S. M. Cabral de Menezes, R. Goodfellow, and P. Granger, Solid State Nucl. Magn. Reson., 22, 458 (2002).
109. M. C. Tucker, M. M. Doeff, T. J. Richardson, R. Fiñones, J. A. Reimer, and E. J. Cairns, Electrochem. Solid-State Lett., 5, A95 (2002).
110. S. L. Wilcke, Y. J. Lee, E. J. Cairns, and J. A. Reimer, Appl. Magn. Reson., 32, 547 (2007).
111. R. J. Clément, A. J. Pell, D. S. Middlemiss, F. C. Strobridge, J. K. Miller, M. S. Whittingham, L. Emsley, C. P. Grey, and G. Pintacuda, J. Am. Chem. Soc., 134, 17178 (2012).
112. A. K. Cheetham, C. M. Dobson, C. P. Grey, and R. J. B. Jakeman, Nature, 328, 706 (1987).
113. Y. J. Lee, F. Wang, and C. P. Grey, J. Am. Chem. Soc., 120, 12601 (1998).
114. C. P. Grey and Y. J. Lee, Solid State Sci., 5, 883 (2003).
115. D. Carlier, M. Ménétrier, C. Grey, C. Delmas, and G. Ceder, Phys. Rev. B, 67, 174103 (2003).
116. J. Kim, U. G. Nielsen, and C. P. Grey, J. Am. Chem. Soc., 130, 1285 (2008).
117. I. Bertini, C. Luchinat, and G. Parigi, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc., 40, 249 (2002).
118. D. S. Middlemiss, A. J. Ilott, R. J. Clément, F. C. Strobridge, and C. P. Grey, Chem. Mater., 25, 1723 (2013).
119. A. J. Pell and G. Pintacuda, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc., 84-85, 33 (2015).
120. A. Castets, D. Carlier, Y. Zhang, F. Boucher, N. Marx, L. Croguennec, and M. Ménétrier, J. Phys. Chem. C, 115, 16234 (2011).
121. F. C. Strobridge, D. S. Middlemiss, A. J. Pell, M. Leskes, R. J. Clément, F. Pourpoint, Z. Lu, J. V. Hanna, G. Pintacuda, L. Emsley, A. Samoson, and C. P. Grey, J. Mater. Chem. A, 2, 11948 (2014).
122. Y. Zhang, A. Castets, D. Carlier, M. Ménétrier, and F. Boucher, J. Phys. Chem. C, 116, 17393 (2012).
123. R. Berthelot, M. Pollet, D. Carlier, and C. Delmas, Inorg. Chem., 50, 2420 (2011).
124. R. Dovesi, R. Orlando, B. Civalleri, C. Roetti, V. R. Saunders, and C. M. Zicovich-Wilson, Z. Kristallogr., 220, 571 (2005).
125. R. Dovesi, V. R. Saunders, C. Roetti, R. Orlando, C. M. Zicovich-Wilson, B. Civalleri, F. Pascale, K. Doll, N. M. Harrison, I. J. Bush, P. D. Arco, and M. Llunell, Crystal09 user's manual. Torino: University of Torino (2010).
126. A. M. Abakumov, A. A. Tsirlin, I. Bakaimi, G. Van Tendeloo, and A. Lappas, Chem. Mater., 26, 3306 (2014).
127. Y. J. Lee and C. P. Grey, Chem. Mater., 12, 3871 (2000).
128. I. Hung, L. Zhou, F. Pourpoint, C. P. Grey, and Z. Gan, J. Am. Chem. Soc., 134, 1898 (2012).
129. Y. S. Meng, Y. Hinuma, and G. Ceder, J. Chem. Phys., 128, 104708 (2008).