Simultaneous enhancement of Na-ion diffusion and electronic conduction in Na3V2(PO4)2F3 cathode material by Ga doping and N-doped carbon

兴奋剂 阴极 材料科学 扩散 碳纤维 离子 热传导 化学物理 凝聚态物理 纳米技术 光电子学 化学 物理化学 复合材料 热力学 物理 复合数 有机化学
作者
Bairu Li,Chang Q. Sun,Lulu Zhang,Ze‐Rong Deng,Hua‐Bin Sun,Hang Lei,Xuelin Yang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:127 (5) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0287010
摘要

Na3V2(PO4)2F3 (NVPF) polyanion cathode offers high structural stability and fast Na+ migration for sodium-ion batteries (SIBs), but it suffers from low intrinsic electronic conductivity and sluggish ion kinetics, as well as unavoidable fluorine loss during synthesis. Herein, we report a dual-modified NVPF cathode material (NC@NVGPF) through simultaneous Ga doping and N-doped carbon coating. Density functional theory calculations demonstrate that Ga doping not only reduces Na-ion migration energy barriers by 19.6% (0.56 → 0.45 eV) but also decreases the bandgap by 40% (2.37 → 1.43 eV), significantly enhancing ionic and electronic transport properties. Structural characterization confirms Ga doping stabilizes the NVPF framework by strengthening V–F bonds (1.89 → 1.62 Å), effectively suppressing fluorine loss and Na3V2(PO4)3 phase formation. Electrochemically, NC@NVGPF delivers 125.5 mAh g−1 at 0.2C and 90.1% capacity retention after 200 cycles at 1C. When assembled into a full cell coupled with commercialized hard carbon, it achieves a reversible capacity of 105.5 mAh g−1 with 92.9% capacity retention over 100 cycles at 1C. These findings reveal that the synergistic action of Ga doping and N-doped carbon coating offers a promising pathway to optimize fluorinated polyanionic cathodes for SIB application.
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