Balancing Electron Spin States of Na3.12Fe2.44(P2O7)2 Through F‐Doping Realized High Performance on Sodium Ions Storage

材料科学 兴奋剂 自旋(空气动力学) 电子 凝聚态物理 物理 光电子学 量子力学 热力学
作者
Xiangyu Wang,Jiajun Li,Qing Wang,Houmou Li,Jiaxin Liang,Libin Zhang,Xin Wang,Kun Ding,Haimei Liu,Zi‐Feng Ma,Yonggang Wang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (35) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/aenm.202502300
摘要

Abstract Iron‐based pyrophosphate Na3.12Fe2.44(P2O7)2 (NFPO) has attracted significant attention due to its low cost, high safety, and open large framework structure, as a promising cathode material for sodium ion batteries. However, the structural instability arising from the uneven electron distribution in the eg orbitals of the 3d transition metal Fe limits the long‐cycle life of NFPO. Herein, a spin‐state regulation strategy is proposed by introducing the highly electronegative fluorine (F) element to modulate the local electronic structure of Fe, achieving a balanced electron distribution in the eg orbitals and enhancing structural stability. A range of analyses and density functional theory (DFT) calculations indicate that F doping can induce electron transitions from the t2g to the eg orbitals of Fe, transforming it from an intermediate‐spin state to a high‐spin state, thereby stabilizing the crystal structure. Thus, an optimal Na3.08Fe2.44(P2O6.98)2F0.04 cathode synthesized via a simple sol‐gel method exhibits a high capacity of 116.4 mAh g−1 at 0.05 C (theoretical capacity of 117 mAh g−1), as well as superior rate capability (61.6 mAh g−1 at 80 C) and ultra‐long cycle life (86.3 % capacity retention rate over 20 000 cycles at 50 C). This work provides new insights into enhancing the structural stability of polyanion cathode materials by regulating the spin state of 3d transition metals.
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