A Medium‐Entropy NASICON Cathode for Sodium‐Ion Batteries Achieving High Energy Density Through Dual Enhancement of Voltage and Capacity

材料科学 快离子导体 阴极 离子 电压 对偶(语法数字) 能量密度 化学工程 工程物理 电气工程 电解质 电极 物理化学 有机化学 艺术 化学 文学类 工程类
作者
Chenglong Shi,Dilxat Muhtar,Xiaoyi Lu,Fangqing Liu,Xia Lu,Zhipeng Sun,Zhanhu Guo
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202500448
摘要

Abstract Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 (NVP) is recognized for its promising commercialization potential as a sodium‐ion battery (SIB) cathode, due to its thermodynamic stability and open structure. However, the limited energy density remains a major obstacle to further advancement of NVP. Herein, a medium‐entropy NASICON Na 3.3 V 1.4 Al 0.3 (MgCoNiCuZn) 0.06 (PO 4 ) 3 (NVAMP‐0.3) is designed by introducing Al 3+ , Mg 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , and Zn 2+ to regulate configurational entropy. These NVAMP‐0.3 achieve an elevated average operating voltage (3.33 V) and high capacity (138.1 mAh g −1 , based on 2.3 Na + ) through V 3+ /V 4+ /V 5+ multi‐electron reactions. By simultaneously enhancing capacity and voltage, NVAMP‐0.3 exhibits an impressive energy density of 460 Wh kg −1 . Furthermore, NVAMP‐0.3 demonstrates excellent low‐temperature tolerance with a capacity retention rate of 94.6% after 300 cycles at −40 °C. In situ XRD unveils the underlying cause of the unique phenomenon where the solid‐solution reaction accounts for the faster electrochemical reaction kinetics of the V 4+ /V 5+ compared to the V 3+ /V 4+ redox. DFT calculations indicate that NVAMP‐0.3 possesses superior electronic conductivity and reduced Na + migration energy barriers. A pouch cell assembled with the NVAMP‐0.3 cathode and hard carbon anode exhibits highly stable cycling (89.3% after 200 cycles at 1 C). This study provides valuable insights into developing NASICON‐type cathodes with high energy densities for SIBs.
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