Synergistic Mn‐Cr Co‐doping in Na3V2(PO4)2O2F Promising Cathode: Unlocking Superior Performance for Next‐Generation Sodium‐Ion Batteries

材料科学 阴极 兴奋剂 分析化学(期刊) 活化能 离子电导率 电导率 电极 物理化学 化学 电解质 冶金 光电子学 色谱法
作者
Mohammad Zaid,Masiyappan Karuppusamy,Biplab Patra,Kiran Kumar Garlapati,Natarajan Arul Murugan,Premkumar Senguttuvan,Vilas G. Pol,Sadananda Muduli
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202504006
摘要

Abstract Sodium vanadium fluorophosphate (Na 3 V 2 O 2 (PO 4 ) 2 F, NVOPF), with a NASICON framework, is a promising cathode material due to its robust 3D structure, high operating potential (∼3.8 V), and theoretical energy density (≈494 Wh kg −1 ). However, its commercial viability is limited by low electronic conductivity and a reduced practical energy density. To address these limitations, vanadium in NVOPF is partially substituted with cost‐effective Mn and Cr via a one‐pot solvothermal method. This co‐doping induces lattice distortion, enhances Na⁺ diffusion kinetics, and improves ionic/electronic conductivity, as confirmed by DFT calculations. The optimized Na 3 V 1.9 Mn 0.095 Cr 0.005 O 2 (PO 4 ) 2 F (NVMC‐95) cathode delivers an initial discharge capacity of 120 mAh g −1 at 0.1 C and 87 mAh g −1 at 20 C, with 94% capacity retention after 500 cycles at 1 C and 76% after 2000 cycles at 5 C. The co‐doped NVOPF exhibits excellent thermal stability at 40 °C, retaining 91% of its capacity over 400 cycles at 2 C. In a full‐cell configuration (NVMC‐95//hard carbon), the system delivers 110 mAh g⁻¹ at 3.75 V, retaining 97% capacity over 100 cycles at 0.2 C. Mn/Cr co‐doping synergy in Na 3 V 2 O 2 (PO 4 ) 2 F enhances Na⁺ transport, reduces impedance, accelerates diffusion kinetics, and stabilizes cycling, enabling durable NASICON‐type cathodes with extended cycle life for practical applications.
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