Defect Thermodynamics in Nonstoichiometric Alluaudite-Based Polyanionic Materials for Na-Ion Batteries

材料科学 杂质 化学计量学 相(物质) 离子 热力学 阴极 降水 相图 序列(生物学) 氧化还原 化学物理 结晶学 物理化学 化学 物理 生物化学 气象学 有机化学 冶金
作者
Teeraphat Watcharatharapong,Sudip Chakraborty,Rajeev Ahuja
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (36): 32856-32868 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acsami.9b07027
摘要

Sodium iron sulfate in the form of alluaudite Na2+2xFe2–x(SO4)3 (or NFSx) has emerged as one of the most promising cathodes for Na-ion batteries due to its highest Fe2+/3+ redox potential, low cost, sustainability, and high rate capability. Unlike most of the other cathodes, NFSx generally crystalizes in its nonstoichiometric form with partial Na substitution for Fe sites and contains a small amount of impurities. However, profound explanations behind this inherent behavior including others, like phase stability, configurational structure, and defect formation are still ambiguous. We therefore performed first-principles calculations combined with a random swapping method to determine the minimum energy configurations of NFSx (with x = 0, 0.25, and 0.5) and find a correlation between the Na distribution pattern and energetics in which the site preference for Na+ ion is in a sequence of Na4 > Na1 > Na2 > Na3. Our result points out that the nonstoichiometry cannot be properly described under the framework of primitive structures. Moreover, we investigated phase stability diagrams and defect formations based on thermodynamic criteria. Our predicted phase diagrams can explain the inevitable impurity precipitation, which can be reduced as x diminishes. Defect formation analysis indicates an unlikely formation of channel blockage and identifies the dominant formation of FeNa + VNa and Nai + NaFe complexes. While the former can become spontaneous in a Na-deficient environment, the latter occurs mainly in NFS0 and accommodates the presence of nonstoichiometry.
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