Facilitating Sodium‐Ion Diffusion in Fe‐Doped Co3O4 for High‐Rate Performance

材料科学 兴奋剂 阳极 尖晶石 扩散 化学工程 离子 纳米颗粒 钠离子电池 电极 纳米技术 光电子学 化学 冶金 热力学 物理化学 法拉第效率 物理 有机化学 工程类
作者
Yonghuan Fu,Guowei Sun,Rene Lucka,Qijun Song,Franz Renz,Zhao Hua-ping,Zhijie Wang,Yong Lei
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202412449
摘要

Due to its high theoretical capacity, cobalt oxide (Co3O4) has attracted attention to sodium-ion battery (SIB) anodes. However, its low conductivity and poor rate performance have limited its practical application. This work proposes a co-precipitation doping strategy to synthesize iron-doped Co3O4 nanoparticles (FexCo3-xO4 NPs). Both experimental and theoretical results confirm that iron (Fe) doping at octahedral sites within spinel structures is a critical factor in enhancing rate performance. The decreased bandgap and enlarged ion transport spacing originate in Fe doping. This effectively facilitates the electron and Na-ion (Na+) transport during discharge/charge processes, delivering an impressive rate capability of 402.9 mAh g-¹ at 3 A g-¹. The FexCo3-xO4 NPs demonstrate remarkable cycling stability. They maintain a high specific capacity of 786.2 mAh g-¹ even after 500 cycles at 0.5 A g-¹, with no noticeable capacity fading. When assembled into a Na-ion full cell, a remarkable discharge capacity of 105 mAh g-1 with stable cycling performance is attained. This work provides valuable insights into the functional design of high-rate electrodes, offering a promising approach to addressing the critical challenges faced by sodium anodes.
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