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Synergistic Engineering of Electronic Structure and Interfacial Field via a 3D Heterostructure for Stable Sodium Metal Batteries

化学 过电位 异质结 阳极 成核 离子键合 阴极 密度泛函理论 电场 化学物理 纳米技术 化学工程 电化学 离子 电极 光电子学 计算化学 有机化学 物理化学 量子力学 工程类 材料科学 物理
作者
Hui Zong,Shang‐Qi Li,Xiaoyang Zheng,Xueyan Wu,Shanghuo Li,Qian‐Qian Hao,Xinghe Zhao,Yaowen Zhang,Kai‐Xue Wang,Xiaowei Song,Jie‐Sheng Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (33): 29779-29791 被引量:14
标识
DOI:10.1021/jacs.5c05156
摘要

Uneven distribution of electric field and sodium ion on the sodium metal anode surface is identified as the key factor triggering dendrite growth, which severely compromises the energy density and cycle life of batteries. Herein, a sodiophilic heterostructure with Sn4P3 nanoparticles encapsulated in N/P codoped graphene-like nanotubes (Sn4P3/NPGTs) is synthesized through the integration of chemical vapor deposition and in situ phosphorization. Rich active sites constructed by N/P codoping modulate the local electronic structure effectively, facilitating uniform Na+ distribution and adsorption while reducing the nucleation overpotential. The interfacial electric field formed at the heterogeneous interface exerts electrostatic forces on Na+, inducing ionic rectification, directional migration, and confined deposition of Na+ within the channels. In addition, the synergistic mechanism for improved Na+ deposition behavior is unraveled in-depth through in situ optical microscopy characterization, COMSOL simulations, in situ XRD analysis, and density functional theory calculations at multiple scales. Asymmetric cells remain stable for 1500 cycles at 3.0 mA cm-2 and 1.0 mAh cm-2, and the corresponding symmetric cells display a lifespan exceeding 2000 h. Pairing with either low-voltage (NaTi2(PO4)3) or high-voltage (Na3V2(PO4)3) cathodes, the full cells exhibit excellent cycling stability.
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