Rationally Designed Sodium Chromium Vanadium Phosphate Cathodes with Multi‐Electron Reaction for Fast‐Charging Sodium‐Ion Batteries

材料科学 阴极 离子 快离子导体 氧化还原 化学工程 分析化学(期刊) 物理化学 电极 电解质 化学 工程类 有机化学 冶金 色谱法
作者
Wei Zhang,Yulun Wu,Zhenming Xu,Huangxu Li,Ming Xu,Jianwei Li,Yuhang Dai,Wei Zong,Ruwei Chen,Liang He,Zhian Zhang,Dan J. L. Brett,Guanjie He,Yanqing Lai,Ivan P. Parkin
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (25) 被引量:154
标识
DOI:10.1002/aenm.202201065
摘要

Abstract Sodium super‐ionic conductor (NASICON)‐structured phosphates are emerging as rising stars as cathodes for sodium‐ion batteries. However, they usually suffer from a relatively low capacity due to the limited activated redox couples and low intrinsic electronic conductivity. Herein, a reduced graphene oxide supported NASICON Na 3 Cr 0.5 V 1.5 (PO 4 ) 3 cathode (VC/C‐G) is designed, which displays ultrafast (up to 50 C) and ultrastable (1 000 cycles at 20 C) Na + storage properties. The VC/C‐G can reach a high energy density of ≈ 470 W h kg −1 at 0.2 C with a specific capacity of 176 mAh g −1 (equivalent to the theoretical value); this corresponds to a three‐electron transfer reaction based on fully activated V 5+ /V 4+ , V 4+ /V 3+ , V 3+ /V 2+ couples. In situ X‐ray diffraction (XRD) results disclose a combination of solid‐solution reaction and biphasic reaction mechanisms upon cycling. Density functional theory calculations reveal a narrow forbidden‐band gap of 1.41 eV and a low Na + diffusion energy barrier of 0.194 eV. Furthermore, VC/C‐G shows excellent fast‐charging performance by only taking ≈11 min to reach 80% state of charge. The work provides a widely applicable strategy for realizing multi‐electron cathode design for high‐performance SIBs.
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