Crystal-Field Manipulated [P2O7] Distortion for Fast Kinetics of Na4Fe3(PO4)2(P2O7) Cathode for Sodium-Ion Batteries

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作者
Weishun Jian,Xinyu Hu,Jinqiang Gao,Jingyao Zeng,Yu Mei,Haoji Wang,Ningyun Hong,Jiangnan Huang,Kai Wang,Wentao Deng,Guoqiang Zou,Hongshuai Hou,Hongyi Chen,Xiaobo Ji
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:64 (10): 5228-5240 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c00182
摘要

Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) (NFPP) is a promising cathode material for sodium-ion batteries with cost-effectiveness and structural stability. However, its electrochemical behaviors are seriously hindered by its [P 2 O 7 ] distortion at high voltage. To address this challenge, we introduce a distortion criterion and optimize the local crystal field environment by incorporating Cr 3+ into Fe3 sites adjacent to [P 2 O 7 ]. This substitution elongates Fe1–O bonds, enhances Fe1 activity, and suppresses [P 2 O 7 ] distortion, facilitating fast Na + diffusion and structural reversibility, as validated by X-ray absorption fine structure (XAFS) and density functional theory (DFT) calculations. Based on c -axis changes during high-voltage operation, a quantitative method for assessing [P 2 O 7 ] distortion is proposed and confirmed by operando X-ray diffraction (XRD). The optimized NFPP-0.15Cr exhibits exceptional rate performance (91.74 mAh g –1 at 50C), long-term cycling stability (88.81% capacity retention after 10,000 cycles at 50C), and wide temperature tolerance (−40 to 60 °C). This study provides a strategic approach for designing high-performance iron-based mixed phosphate cathodes, advancing their practical application in sodium-ion batteries.
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