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Reversible Multielectron Redox Chemistry in a NASICON‐Type Cathode toward High‐Energy‐Density and Long‐Life Sodium‐Ion Full Batteries

材料科学 氧化还原 阴极 快离子导体 离子键合 密度泛函理论 电化学 X射线光电子能谱 离子 化学工程 化学物理 电解质 电极 化学 物理化学 计算化学 工程类 有机化学 冶金
作者
Yifan Zhou,Guofu Xu,Jiande Lin,Yangpu Zhang,Guozhao Fang,Jiang Zhou,Xinxin Cao,Shuquan Liang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (44) 被引量:119
标识
DOI:10.1002/adma.202304428
摘要

Na-superionic-conductor (NASICON)-type cathodes (e.g., Na3 V2 (PO4 )3 ) have attracted extensive attention due to their open and robust framework, fast Na+ mobility, and superior thermal stability. To commercialize sodium-ion batteries (SIBs), higher energy density and lower cost requirements are urgently needed for NASICON-type cathodes. Herein, Na3.5 V1.5 Fe0.5 (PO4 )3 (NVFP) is designed by an Fe-substitution strategy, which not only reduces the exorbitant cost of vanadium, but also realizes high-voltage multielectron reactions. The NVFP cathode can deliver extraordinary capacity (148.2 mAh g-1 ), and decent cycling durability up to 84% after 10 000 cycles at 100 C. In situ X-ray diffraction and ex situ X-ray photoelectron spectroscopy characterizations reveal reversible structural evolution and redox processes (Fe2+ /Fe3+ , V3+ /V4+ , and V4+ /V5+ ) during electrochemical reactions. The low ionic-migration energy barrier and ideal Na+ -diffusion kinetics are elucidated by density functional theory calculations. Combined with electron paramagnetic resonance spectroscopy, Fe with unpaired electrons in the 3d orbital is inseparable from the higher-valence redox activation. More competitively, coupling with a hard carbon (HC) anode, HC//NVFP full cells demonstrate high-rate capability and long-duration cycling lifespan (3000 stable cycles at 50 C), along with material-level energy density up to 304 Wh kg-1 . The present work can provide new perspectives to accelerate the commercialization of SIBs.
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