All-climate and air-stable NASICON-Na2TiV(PO4)3 cathode with three-electron reaction toward high-performance sodium-ion batteries

氧化还原 电化学 阴极 快离子导体 化学 离子 X射线光电子能谱 分析化学(期刊) 离子键合 钠 化学物理 材料科学 电解质 化学工程 电极 无机化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Wei Zhang,Zhenming Xu,Huangxu Li,Ming Xu,Sha Wang,Zheng Li,Aonan Wang,Liuyun Zhang,Liang He,Shihao Li,Bin Zhu,Zhian Zhang,Yanqing Lai
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:433: 133542-133542 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133542
摘要

Developing all-climate and air-stable cathode with multi-electron redox reaction is intriguing and challenging for sodium-ion batteries (SIBs). Herein, we synthesize a NASICON (Na super-ionic conductor)-type Na2TiV(PO4)3 with an elaborately-engineered architecture, which shows ultrastable (1000 cycles at 40C) and ultrafast (up to 40C) three-sodium storage performances with an ultrahigh capacity of 187 mA h g−1 (equals to theoretical value) at 0.1C. Also, it displays good air-stability and high/low-temperature properties. A series of stepwise solid-solution, two-phase, solid-solution and two-phase mechanisms are involved and a small volume change of 4.9% is identified according to the operando X-ray diffraction results. Ex situ X-ray photoelectron spectroscopy reveals that V4+/V3+, Ti4+/Ti3+ and V3+/V2+ redox reactions are accompanied with three-sodium storage processes. The small band gap of 1.48 eV and fast 3D Na+ diffusion pathways with low energy barrier of 0.2 eV calculated through first-principles calculations are responsible for the superior electrochemical performances. Our work prepares Na2TiV(PO4)3 with three-electron redox and high performance for future practical SIBs applications.
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