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Nanostructured Sn4+ and Mn2+ Co-Doped Na3V2(PO4)3 Cathode for High-Rate and Ultra-Stable Sodium–Ion Batteries

材料科学 阴极 纳米技术 纳米尺度 密度泛函理论 Crystal(编程语言) 费米能级 光电子学 化学物理 人口 带隙 量子隧道 碳纤维 导电体 阳极 热传导 纳米复合材料 电子结构 电导率 原子轨道 电极 电子能带结构 扩散 单晶 碳纳米管 扩散阻挡层 纳米颗粒
作者
Chuanya Jiang,Fanhao Meng,Zijian You,Yanbin Xu,Yuming Cui,Shihao Pei,Zhiqiang Lv,Zhenglong Yang
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:9 (32): 15315-15326
标识
DOI:10.1021/acsanm.6c02363
摘要

Abstract Na3V2(PO4)3 represents a competitive cathode candidate for advanced sodium–ion batteries owing to its high operating voltage, rapid ion diffusion, and stable crystal framework. Nevertheless, the low electronic conductivity remains a critical obstacle for its practical large-scale applications. In this work, we rationally designed a carbon-coated, Sn4+- and Mn2+-codoped Na3V2(PO4)3 nanocomposite with nanoscale primary grains aiming to synergistically enhance the electronic conduction and Na+ transport of Na3V2(PO4)3. On the one hand, the nanoscale architecture, combined with a conformal carbon coating, reduces Na+ diffusion distances and facilitates electron transport, which are key to achieving superior high rate performance and durable cyclability. On the other hand, density functional theory calculations reveal that Sn4+ and Mn2+ codoping generates hybrid orbitals near the Fermi level, which narrows the band gap of Na3V2(PO4)3 and thereby greatly boosts its intrinsic electronic conductivity. Meanwhile, Sn4+ and Mn2+ codoping induces abundant sodium vacancies, which effectively lowers the Na+ diffusion energy barrier and accelerates Na+ transport kinetics. Additionally, the local charge density maps and integrated crystal orbital Hamilton population analyses jointly corroborate the improved structural stability upon Sn4+ and Mn2+ codoping. Owing to the synergistic effects of the nanoscale architecture and electron/vacancy modulation, the optimized Na3V1.9Sn0.05Mn0.05(PO4)3@C delivers impressive reversible capacities of 110.95 and 87.72 mAh g–1 at 1 and 20 C, respectively. Additionally, a high-capacity retention of 90.82% is also achieved at 10 C after 2300 cycles. In situ X-ray diffraction characterization elucidates the reversible two-phase transition mechanism between Na3V1.9Sn0.05Mn0.05(PO4)3 and NaV1.9Sn0.05Mn0.05(PO4)3. This work demonstrates a synergetic nanostructural and heterovalent codoping strategy, providing valuable insights for designing high-performance NASICON-type cathodes.
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