A Phase‐Transition–Free Sodium Vanadium Phosphate Cathode via Medium‐Entropy Engineering for Superior Sodium Ion Batteries

材料科学 离子 阴极 磷酸盐 无机化学 相变 化学工程 热力学 冶金 有机化学 物理化学 化学 物理 工程类
作者
Xiaohui Wu,Wenjun Jiang,Chen Dai,Lizhong Liu,Yun Chai,Mingjun Zhao,Langshen Yang,Yuan Lin,Yi Zhao,Wei Huang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (8): e2414358-e2414358 被引量:27
标识
DOI:10.1002/adma.202414358
摘要

Na3V2(PO4)3, based on multi-electron reactions between V3+/V4+/V5+, is a promising cathode material for SIBs. However, its practical application is hampered by the inferior conductivity, large barrier of V4+/V5+, and stepwise phase transition. Herein, these issues are addressed by constructing a medium-entropy material (Na3.2V1.1Ti0.2Al0.2Cr0.2Mn0.2Ni0.1(PO4)3, ME-NVP) with strong ME─O bond and highly occupied Na2 sites. Benefiting from the medium-entropy effect, ME-NVP manifests a phase-transition-free reaction mechanism, two reversible plateaus at 3.4 (V3+/V4+) and 4.0 V (V4+/V5+), and small volume change (2%) during Na+ insertion/extraction processes, as confirmed by comprehensive in/ex situ characterizations. Moreover, kinetics analysis illuminates the superior Na+ diffusion ability of ME-NVP. Thus, the ME-NVP cathode realizes remarkable rate capability of 67 mA h g-1 at 50C and a long-term lifespan over 10 000 cycles (capacity retention of 81.3%). Theoretical calculations further illustrate that the weak binding of Na+ ion in the channel is responsible for the rapid Na+ diffusion, accounting for the superior reaction kinetics. Moreover, rigid MEO6 octahedral and feasible rearrangement of Na+ ions can suppress the phase transition, thus endowing an ultrastable ME-NVP cathode. This work highlights the significant role of medium-entropy engineering in advancing the output voltage, cycling stability, and rate capability of polyanionic cathodes.
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