Ionic Polarization‐Driven Defect Engineering in Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) Cathode: Fast Charging and Ultra‐Long Cycle Life of Sodium‐Ion Batteries

阴极 极化(电化学) 离子 材料科学 离子键合 化学 物理化学 有机化学 冶金
作者
Yujie Wang,Zhen‐Yi Gu,Dongsheng Bai,Ze-Lin Hao,Han-Wei Huang,Yan Yang,Chengjie Li,Anmin Liu,Xing‐Long Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (32): e202507573-e202507573 被引量:13
标识
DOI:10.1002/anie.202507573
摘要

The Na4Fe3(PO4)2(P2O7) (NFPP) cathode material faces the challenge of coordinating the improvement of high-rate performance and long-cycle stability for sodium-ion batteries (SIBs). This study proposes an ionic polarization-driven defect engineering strategy, which regulates the electronic structure and Na+ transmission dynamics of NFPP through Bi3+ doping. Experimental results and theoretical calculations show that Bi3+ with (18 + 2) electron configuration significantly enhances the crystal structure stability of NFPP by strengthening the covalency of Bi─O bonds. Meanwhile, the heterovalent Bi3+ doping optimizes the bandgap of the material (from 3.29 to 0.16 eV) and promotes Na+ diffusion, while introducing lattice defects to provide additional sodium storage sites. The optimized 0.02Bi-NFPP cathode exhibits excellent electrochemical performance as the half-cell only takes 31.6 min to charge to 80% at a rate of 1 C, and the capacity decay is only 0.000495 mA h g-1 per cycle (86.9% capacity retention) over 20,000 cycles at 20 C. The full battery based on hard carbon anode maintains 95.5% capacity retention after 200 cycles at 1 C. This study reveals the synergistic mechanism between ion polarization effect and lattice defects, and provides a new strategy for designing SIBs cathode materials with both fast charging/discharging capabilities and ultra-long life.
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