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Biphasic Synergy Engineering in Iron-Based Polyanionic Cathodes for High-Performance Sodium-Ion Batteries

材料科学 阴极 复合数 电极 纳米技术 相间 极化(电化学) 储能 离子键合 电压 化学工程 纳米尺度 阳极 电导率 相(物质) 离子 可扩展性 离子电导率 纳米颗粒 高压 相变
作者
Changlong Lei,Z. T. Sui,Yunjiao Li,Jianpeng Peng,Shijie Jiang,Weijia Tang,Zhenjiang He
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (50): 67750-67762 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c14038
摘要

Sodium-ion batteries (SIBs) are increasingly favored for large-scale energy storage owing to their cost-effectiveness and elemental abundance. Na4Fe3(PO4)2P2O7 (NFPP) is a promising polyanionic cathode material due to its high operating voltage and environmental compatibility, but it suffers from poor electronic and ionic conductivity and structural degradation during deep cycling. To address these issues, a biphasic mixture and phase-ratio tuning strategy are employed to construct NFPP&NFPO composite cathodes, integrating NFPP with Na2FeP2O7 (NFPO), a structurally compatible phase that offers superior stability. This architecture gives rise to interphase synergy, where NFPO alleviates lattice collapse and phase transition of NFPP, while NFPP enhances Na+ mobility and mitigates polarization in NFPO. We propose a sodium-ion bifurcation theory, wherein Na+ ions are dynamically redistributed between NFPP and NFPO domains during cycling, forming complementary transport channels that enhance the rate capability and cycling durability. A series of NFPP&NFPO composites with varied phase ratios was synthesized via spray-drying and calcination. Among them, the optimized NFPP&NFPO-2 composite achieves a high discharge capacity of 99.38 mAh g-1 at 0.1 C, maintains 82.1 mAh g-1 at 30 C, and achieves a capacity retention of 97.02% after 6000 cycles at 20 C. These enhancements are attributed to the synergistic sodium-storage mechanism and ion-bifurcation dynamics, which jointly optimize structural robustness, interfacial stability, and Na+ transport kinetics. This work provides insight into the design of biphasic electrode systems and presents a scalable route toward high-performance polyanionic cathodes for next-generation SIBs.
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