Facet‐Engineered Na 2 FeSiO 4 Cathodes Realizing Zero‐Strain Operation and Ultra‐Stable Sodium Storage

材料科学 阴极 纳米片 化学物理 格子(音乐) 化学工程 煅烧 结构稳定性 阳极 晶体结构 纳米点 纳米技术 电极 扩散 纳米晶 氧化还原 动力学 密度泛函理论 相(物质) 晶格常数 电化学 纳米颗粒 科技与社会 电子 晶格扩散系数 导电体 溶剂 纳米尺度 氧化物 面(心理学)
作者
Lalit Kumar Singh,Deepak Verma,Sambedan Jena,Rizky Gilang Kurniawan,Mingony Kim,Kyung Yoon Chung,Jaehoon Kim
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (16)
标识
DOI:10.1002/aenm.202506481
摘要

ABSTRACT Designing polyanionic cathodes that simultaneously deliver structural stability and fast Na + transport remains a key challenge for sodium‐ion batteries. Here, we present a facet‐directed lattice engineering strategy that enables controlled crystallographic orientation, defect chemistry, and ion‐transport kinetics in Na 2 FeSiO 4 (NFS). Solvent coordination coupled with thermodynamically guided calcination yields a cubic P 2 1 3 phase with preferential exposure of the (210)/(211) facets. Structural analyses and density functional theory identify these planes as dominant Na + migration highways with ultralow barriers (0.21–0.25 eV) and reversible elastic lattice breathing, supporting near‐zero‐strain operation during cycling. The optimized cathode delivers a high reversible capacity of 173.6 mAh g − 1 at 0.2 C with 92.3% retention, minimal voltage hysteresis, and excellent rate capability. Beyond facet effects, the engineered lattice environment stabilizes the Fe 2 + /Fe 3 + redox balance and an optimized oxygen‐vacancy landscape, while the nanosheet architecture shortens diffusion lengths and buffers interfacial strain; concurrently, in situ–derived carbon forms a percolating conductive network that promotes electron transport and stabilizes the cathode–electrolyte interface (CEI). In pouch‐cell configuration, the material retains >80% capacity with the lowest charge‐transfer resistance among all variants, underscoring scalability and durability. This facet‐governed design concept links atomic‐scale crystal engineering with practical electrodes, offering a general route to high‐rate, long‐life sodium‐ion batteries.
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