First-Principles Insight into the Impact of Oxygen Substitution in Na3V2(PO4)2F3 Cathodes on the Structural Evolution, Redox Mechanism, and Na-Ion Migration

电化学 快离子导体 阴极 电解质 材料科学 离子 扩散 无机化学 电极 化学 物理化学 热力学 有机化学 物理
作者
Yiheng Chen,Yiwei You,Xinrui Cao,Tie‐Yu Lü,Zi‐Zhong Zhu,Shunqing Wu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c06377
摘要

Sodium vanadium phosphate fluoride (Na3V2(PO4)2F3, NVPF) has emerged as a promising NASICON-type cathode material for sodium-ion batteries due to its 3D Na-ion diffusion channels, high voltage, and high theoretical capacity. However, issues with Na-ion diffusion kinetics and electrical conductivity have limited its electrochemical performance. In this work, first-principles calculations were employed to systematically investigate the structural evolution, average voltage, magnetism, and electronic structure of Pnnm NVPF and partially the O-substituted product Na3V2(PO4)2F2O. Compared to disordered P42/mnm, ordered Pnnm NVPF exhibited lower desodiation voltages and Na+ migration barriers, resulting in improved electrochemical properties. Additionally, Na3V2(PO4)2F2O enabled extract more Na+ near the electrolyte stability limit, enhancing capacity and energy density. However, lattice contraction from O substitution also increased Na+ diffusion barriers in Na3V2(PO4)2F2O. Distinct redox mechanisms were revealed for the two materials, offering vital information for optimizing NASICON cathodes.
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