p/s-orbital hybridization induced by Mg-doping to active Na sites in Na2FePO4F cathode for long-life and high-rate sodium-ion batteries

材料科学 兴奋剂 阴极 离子 电化学 原子轨道 电子结构 电极 纳米技术 电子 物理化学 光电子学 计算化学 有机化学 物理 化学 量子力学
作者
Yan Liu,Shuying Li,Zhen‐Yi Gu,Yong‐Li Heng,Hong‐Yan Lü,Jia-Lin Yang,Miao Du,Xiaotong Wang,Jin‐Zhi Guo,Feilong Dong,Kai Li,Xing‐Long Wu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:68: 103319-103319 被引量:36
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103319
摘要

The iron-based fluorophosphate Na2FePO4F (NFPF) is considered as a potential cathode for sodium-ion batteries due to the low-cost, non-toxicity and appropriate working voltage. However, the inferior intrinsic electronic conductivity and the restrained active Na sites bring the limits for full realization of electrochemical properties. Herein, Mg2+ with d0 orbital was introduced in FeO4F2 structure, aimed at activating the Na+ at Na1 site and enhancing the electronic conductivity. Different from the 3d transition metal (TM) elements that form 3d-O2p orbital interactions in the FeO4F2 structure, the Mg with d° contributes p and s orbitals mainly in Mg-O bonds, which corresponds to more stable orbital interaction and lattice structure. The electron distribution of bridge O due to the Mg-doping leads to the wooden barrel effect near the Mg site, thus activating Na+ at Na1 site by lowering the energy barrier of Na+ migration from Na1 to Na2 site. Hence, the obtained NFMPF electrode delivers high specific capacity (121.4 vs. 108.7 mAh g−1 at 0.1 C) and better cycling stability (73.8% vs. 54.2 % after 1000 cycles at 20 C). Overall, regulating the electronic structure and activating Na+ at inactive site is the key to break the bottleneck of low activity, which can be an effective strategy to design cathode materials with excellent electrochemical performance.
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