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Unlocking the Inaccessible Energy Density of Sodium Vanadium Fluorophosphate Electrode Materials by Transition Metal Mixing

过渡金属 电化学 材料科学 电解质 插层(化学) 分析化学(期刊) 无机化学 化学 电极 物理化学 冶金 催化作用 生物化学 色谱法
作者
Stephanie C. C. van der Lubbe,Ziliang Wang,D.-K. Lee,Pieremanuele Canepa
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:35 (13): 5116-5126 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c00745
摘要

Sodium (Na) vanadium (V) fluorophosphate NaxV2(PO4)2F3 (NVPF) is a highly attractive intercalation electrode material due to its high operation voltage, large capacity, and long cycle life. However, several practical issues limit the full utilization of NVPF's energy density: (1) the high voltage plateau associated with extracting the "third" Na ion in the reaction N1VPF → VPF (∼4.9 V vs Na/Na+) appears above the electrochemical stability window (ESW) of most practical electrolytes (∼4.5 V vs Na/Na+); and (2) a sudden drop in Na-ion diffusivity is observed near composition Na1V2(PO4)2F3. Therefore, it is important to investigate the potential substitution of V by other transition metals (TMs) in NVPF derivatives, which can practically access the extraction of the third Na-ion. In this work, we investigate the partial substitution of V with molybdenum (Mo), niobium (Nb), or tungsten (W) in NVPF to improve its energy density. Using first-principles calculations, we examine the structural and electrochemical behaviors of NaxV2–yMoy(PO4)2F3, NaxV2–yNby(PO4)2F3, and NaxW2(PO4)2F3 across the whole Na composition region of 0 ≤ x ≤ 4, and at various transition metal (TM) substitution levels, namely, y = 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 for Mo, and y = 1.0 and 2.0 for Nb. We found that partial substitution of 50% V by Mo in NVPF reduces the voltage plateau for extracting the third Na ion by 0.6 volts, which enables further Na extraction from Na1VMo(PO4)2F3 and increases the theoretical gravimetric capacity from ∼128 to ∼174 mAh/g. Analysis of the migration barriers for Na-ions in NaxVMo(PO4)2F3 unveils improved kinetic properties over NVPF. The proposed NaxVMo(PO4)2F3 material provides an optimal gravimetric energy density of ∼577.3 Wh/kg vs ∼507 Wh/kg for the pristine NVPF, which amounts to an increase of ∼13.9%.
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