Enhancement of the Electrochemical Performance of Na 3 MnTi(PO 4 ) 3 Cathode Material by Nb Doping for Sodium-Ion Batteries

电化学 材料科学 阴极 氧化还原 化学工程 兴奋剂 电流密度 衍射 结构稳定性 无机化学 电极 离子键合 容量损失 快离子导体 固溶体 电解质 阳极 纳米技术 格子(音乐) 导电体 锂(药物) 储能
作者
Hai‐Yan Xie,Xingyi Feng,Tianxing Kang,Wei Yang,Hanbo Zou,Shengzhou Chen
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:9 (1): 191-200
标识
DOI:10.1021/acsaem.5c02895
摘要

Despite the promising sodium-storage characteristics of NASICON-type Na3MnTi(PO4)3 arising from its stable three-dimensional framework and high ionic conductivity, its practical performance remains limited by the low Ti3+/Ti4+ redox potential, poor electronic conductivity, and Mn3+-induced Jahn–Teller distortion. In this study, Na3MnTi1–xNbx(PO4)3 (x = 0, 0.025, 0.05, 0.075, 0.1) was synthesized via a sol–gel method. X-ray diffraction confirms that Nb5+ substitution at Ti sites preserves the NASICON structure while slightly expanding the lattice and promoting Na+ transport. Electrochemical tests show that appropriate Nb doping not only increases the high-voltage capacity corresponding to the Mn2+→ Mn4+ redox process, but also improves the rate capability, cycling stability, and reversibility of Na3MnTi1–xNbx(PO4)3 cathodes. The Na3Ti0.95Nb0.05Mn(PO4)3 sample delivered an initial capacity of 139.0 mAh g–1 and maintained 74.1 mAh g–1 after 500 cycles at 180 mA g–1. Moreover, it exhibits enhanced rate capability, maintaining 88.6 mAh g–1 as the current density increases to 900 mA g–1. These findings indicate that Nb-doping is an effective strategy to enhance the electrochemical performance and structural stability of Na3MnTi(PO4)3.
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