Anion–Cation Dual‐Site Co‐Doping Unlocking NASICON Na 4 VMn(PO 4 ) 3 Cathodes Toward Advanced Sodium–Ion Batteries

材料科学 阴极 八面体 电导率 兴奋剂 快离子导体 化学工程 格子(音乐) 离子 纳米技术 四面体 结构稳定性 失真(音乐) 结晶学 导电体 电阻率和电导率 商业化 空位缺陷 工程物理 无机化学 电解质 化学物理 导线
作者
Guoshuai Su,Qingyun Zhang,Hongqiang Xi,Longwei Liang,Zhenyuan Xie,Jiawei Mu,Jiwei Hao,Weixiao Ji,Ming Gao,Linrui Hou,Changzhou Yuan
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.71276
摘要

ABSTRACT The Na + superionic conductor (NASICON)‐type Na 4 VMn(PO 4 ) 3 (NVMP) is a highly promising cathode for sodium‐ion batteries (SIBs), but its commercialization is hindered by the Mn 3+ ‐induced Jahn‐Teller distortion and sluggish charge‐transferring kinetics. To meet such twofold challenges, an innovative Ti 4+ /Cl − dual‐site (i.e., Ti 4+ and Cl − occupying octahedral and tetrahedral sites, respectively) co‐doping methodology is first proposed here. Systematic physicochemical characterizations and first‐principles calculations corroborate that the introduction of both Ti 4+ and Cl − effectively enhances lattice stability and modulates local coordination environment of Mn 3+ , markedly suppressing Jahn‐Teller distortion. Moreover, the dual‐site co‐doping of NVMP improves electronic conductivity and substantially reduces the Na + migration barriers, thereby synchronously optimizing its electron/ion transport kinetics. Thanks to these distinct merits, the dual‐site doped cathode, i.e., tiny Ti/Cl co‐doped NVMP (i.e., Na 4 V 0.95 MnTi 0.05 P 3 O 11.9 Cl 0.1 ), delivers a high‐rate capacity of 80.6 mAh g −1 at 40C (2.7 times higher than pristine NVMP) and retains 94% capacity after 1000 cycles at 5C. The Na 4 V 0.95 MnTi 0.05 P 3 O 11.9 Cl 0.1 assembled SIBs obtain ultrahigh‐rate behavior (79.7 mAh g −1 at 30C) and robust wide‐temperature tolerance (–40°C to 50°C). Besides the unveiled microscopic mechanism of anion/cation synergistic doping, the in‐depth insights provide a new theoretical foundation for designing advanced cathodes toward next‐generation SIBs.
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