Unlocking fast and reversible sodium intercalation in NASICON Na4MnV(PO4)3 by fluorine substitution

材料科学 快离子导体 阴极 插层(化学) 无机化学 化学工程 电解质 电极 物理化学 化学 冶金 工程类
作者
Jingrong Hou,Mohammed Hadouchi,Lijun Sui,Jie Liu,Mingxue Tang,Wang Hay Kan,Maxim Avdeev,Guiming Zhong,Yi-Kai Liao,Yu-Hong Lai,Ying-Hao Chu,Hong-Ji Lin,Chien‐Te Chen,Zhiwei Hu,Yunhui Huang,Jiwei Ma
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:42: 307-316 被引量:139
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.07.040
摘要

The exploitation of high energy and high power densities cathode materials for sodium ion batteries is a challenge. Na-super-ionic-conductor (NASICON) Na4MnV(PO4)3 is one of promising high-performance and low-cost cathode materials, however, still suffers from not reaching the theoretical capacity, low rate capability, and poor cycling stability. In this work, we deploy a novel sodium-deficient NASICON fluorinated phosphate cathode material for sodium ion batteries which demonstrates, notably, high energy and high power densities concomitant with high sodium diffusion kinetics. The enhanced performance of this novel Na3.85⬜0.15MnV(PO3.95F0.05)3 cathode was evidenced by demonstrating a relatively high energy density of ∼380 Wh kg−1 at low rate with much improved rate capability compared to non-doped Na4MnV(PO4)3, and long cycling life over 2000 cycles at high current rates. The structural investigation during battery operation using in situ x-ray diffraction (XRD) reveals bi-phase mechanism with high structural reversibility. The combined XRD and 23Na nuclear magnetic resonance (NMR) analyses demonstrate that the sodium extraction/insertion from Na2 is faster than Na1 site. These findings open promising prospects for unlocking of high energy and high power densities of NASICON phosphate materials by fluorine substitution towards high-performance sodium ion batteries.
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