NaO 6 Octahedron‐Engineered Sodium Iron Sulfate Cathodes for High‐Rate and Sustainable Sodium‐Ion Batteries

阴极 硫酸盐 化学 化学工程 格子(音乐) 氧气 无机化学 硫酸钠 动力学 材料科学 氧气输送 氧化铁 电极 电化学
作者
Yì Wáng,Bochao Chen,Wenbo Zhou,Zhiyuan Xu,Linyang Wu,Changjie Kan,Mao Guo,Boyuan Li,Long Shang,Shuandi Hou,Haile Cai,Hui Li,Kai Zhang,Zhenhua Yan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.8606538
摘要

ABSTRACT The alluaudite‐type sulfate Na 2 Fe 2 (SO 4 ) 3 (NFS) has attracted considerable interest as the cathodes for sodium‐ion batteries (SIBs) due to its low cost and high operating voltage. However, it is plagued by sluggish Na + transport kinetics and irreversible lattice distortion arising from Fe 3+ migration. Herein, NaO 6 units have been incorporating into NFS to form a sodium‐rich site‐type sodium iron sulfate (Na 6.4 [Fe 5.5 Na 0.6 ](SO 4 ) 9 ), in which Na + substitution at Fe sites induces intrinsic Na + occupation of structurally unstable Fe sites, effectively suppressing Fe migration. Meanwhile, the enlarged Fe–Fe spacing within [Fe 2 O 10 ] dimers mitigates repulsion‐driven Fe migration, synergistically enhancing lattice stability. Furthermore, enhanced oxygen ionicity in NaO 6 units elongates the rate‐determining Na─O bond, thus enhancing the Na + migration kinetics. As a result, the Na 6.4 [Fe 5.5 Na 0.6 ](SO 4 ) 9 cathode achieves an impressive rate performance (100.2 and 75.2 mA h g −1 at 0.1 and 20C, respectively), with 98.2% capacity retention after 2000 cycles at 20 C. Moreover, the corresponding pouch cells stably operate for 500 cycles with 80.9% capacity retention. Rather than simply increasing Na occupancy at pre‐existing Na sites, this sodium‐rich site strategy introduces new Na sites at specific lattice positions, providing a viable design paradigm for advancing low‐cost polyanionic Na‐storage materials.
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