Modulation of the Crystal Structure and Ultralong\nLife Span of a Na<sub>3</sub>V<sub>2</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub>‑Based Cathode for a High-Performance Sodium-Ion Battery by\nNiobium–Vanadium Substitution

材料科学 兴奋剂 电化学 阴极 铌 晶体结构 掺杂剂 电池(电) 激活剂(遗传学) 电导率 循环伏安法 储能 结构稳定性 电极 光电子学 单斜晶系 格子(音乐) 扩散 Crystal(编程语言) 化学工程 无机化学
作者
Linnan Bi (6503345),Xiaoqing Liu (196900),Xiaoyan Li (117291),Bingbing Chen (1742596),Qiaoji Zheng (3377390),Fengyu Xie (5641457),Yu Huo (1687237),Dunmin Lin (3377387)
出处
期刊:University of Illinois at Chicago - INDIGO [University of Illinois Chicago]
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.0c04187.s001
摘要

Building\nbetter batteries with low cost, long life, and safety\ncan effectively meet the diverse energy demands. Na<sub>3</sub>V<sub>2</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> (NVP) is a potential cathode\nin energy storage systems due to its stable crystal structure, high-voltage\nplatform, and rapid migration rate of Na<sup>+</sup>. Nevertheless,\nits poor conductivity results in inferior electrochemical properties.\nHerein, the high-valence niobium (Nb<sup>5+</sup>) as a dopant can\nregulate the crystal structure of NVP and act as an activator to catalyze\nthe formation of the graphitization carbon layer, which shortens the\nelectron/ion diffusion pathway and enhances the electrochemical kinetics.\nDensity functional calculations show that Nb<sup>5+</sup> doping decreases\nthe band gap energy and promotes electron transport. Physical and\nchemical characterizations prove that Nb<sup>5+</sup> doping induces\nthe lattice distortion of NVP. Cyclic voltammetry and electrochemical\nimpedance tests show that Nb<sup>5+</sup> doping promotes Na<sup>+</sup> diffusion. Finally, the optimal NVP/Nb-0.3 delivers an excellent\nperformance of 103.8 mAh g<sup>–1</sup> with a capacity retention\nof 92.3% at 1 C for 200 cycles, a rate performance of 99.6 mAh g<sup>–1</sup> at 20 C, and cycling stability at 50 C for 6000 cycles\nwith a capacity retention of 72.7%. This modification strategy of\ncathode materials provides an important reference for optimizing battery\nperformance.
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