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Self-optimizing weak solvation effects achieving faster low-temperature charge transfer kinetics for high-voltage Na3V2(PO4)2F3 cathode

阴极 电解质 材料科学 动力学 溶剂化 化学物理 离子 活化能 化学工程 物理化学 电极 化学 有机化学 量子力学 物理 工程类
作者
Liang Deng,Kokswee Goh,Fu‐Da Yu,Xia Yang,Yunshan Jiang,Wang Ke,Yi Han,Lan‐Fang Que,Jia Zhou,Zhen‐Bo Wang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:44: 82-92 被引量:138
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.10.012
摘要

Various properties of sodium ion batteries deteriorate severely when dropping to subzero temperature. Herein, we reveal an accelerated charge-transfer mechanism for high-voltage Na3V2(PO4)2F3 cathode through constructing weakly-solvating architecture, which endows it with superior temperature adaptability (capacity retention of C−25∘C/C25∘C reaches 90.8%). The resulting weak solvation effects synergistically lower the activation energy barrier for charge-transfer reactions, thus accelerating the kinetics at low temperature and increasing the energy density by ∼75 Wh Kg−1. Ab initio molecular dynamics calculations show that a weakly-solvating structure forms spontaneously in a low-concentration electrolyte (merely 0.3 M) and thereby facilitates Na+ desolvation process. Besides, visual TOF-SIMS confirms the construction of a dense and uniform cathode/electrolyte interface layer, which optimizes the interface chemistry and improves the interfacial kinetics. In-situ and ex-situ XRD also evidence a smaller degree of structural evolution of the Na3V2(PO4)2F3 cathode, which contributes to long-term durability (attaining a high capacity retention of 93.4% after 1000 cycles at −25 °C). Furthermore, it is demonstrated that under such extreme conditions the Na3V2(PO4)2F3||hard-carbon full cell functions well for over 300 h. These findings elucidate the roles of weak solvation construction in realizing faster kinetics for high-voltage cathodes and provide a feasible pathway for achieving more practical sodium ion batteries.
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