N‐Doped Carbon Encapsulated FeV 2 S 4 /Fe Nanorods as Fast‐Charging Anodes for All‐Climate Sodium‐Ion Storage

阳极 材料科学 纳米棒 碳纤维 电化学 化学工程 石墨烯 氧化物 溶解 金属 图层(电子) 纳米技术 复合数 体积热力学
作者
Y. X. Zhou,Qiao Li,Rui Cui Liu,Ao Xu,Jiahui Wang,Xueqin Sun,Changlong Sun,Fuyi Jiang,Kai Xi,Junyan Yang
出处
期刊:Energy & environmental materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/eem2.70191
摘要

FeV 2 S 4 holds promise as an anode for sodium‐ion batteries (SIBs) because of its large interlayer spacing, high storage capacity, and metallic conductivity. However, the significant volume expansion and polysulfides dissolution during cycling usually lead to material pulverization and performance degradation. Herein, the thin N‐doped carbon (NC) layer encapsulated FeV 2 S 4 /Fe nanorods (FeV 2 S 4 /Fe@NC) have been constructed via the multi‐step strategy. Under the synergistic effect of outer NC and inner FeV 2 S 4 /Fe, the optimized FeV 2 S 4 /Fe@NC anode prepared at 850 °C demonstrates fast‐charging sodium storage capabilities (525 mAh g −1 /2 A g −1 /400 cycles and 281 mAh g −1 /15 A g −1 ). Remarkably, except for 25 °C, such well‐chosen anode can easily run at extreme temperatures, demonstrating excellent all‐climate rate capabilities (135 mAh g −1 /5 A g −1 at 0 °C and 289 mAh g −1 /15 A g −1 at 40 °C) and cyclic stability (371 mAh g −1 /0.5 A g −1 /200 cycles at 0 °C and 529.2 mAh g −1 /2 A g −1 /300 cycles at 40 °C). Additionally, the components of SEI film, electrochemical kinetics, theoretical calculations, and various in‐situ/ex‐situ characterizations confirm the rapid charge transfer, highly efficient Na + diffusion, and conversion‐based reaction mechanism in FeV 2 S 4 /Fe@NC. Furthermore, the full cells consisted of FeV 2 S 4 /Fe@NC anodes and reduced graphene oxide modified Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 (Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 @rGO) cathodes realize satisfied electrochemical performances (242 mAh g −1 over 140 cycles at 1 A g −1 ). This work offers a rational synthesis approach for designing high‐performance dual‐metal chalcogenide‐based anodes for sodium‐ion storage.
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