Regulating Na/Mn Antisite Defects and Revitalizing Reversible Redox Reactions in Phosphate Cathodes

氧化还原 磷酸盐 阴极 材料科学 无机化学 化学 结晶学 冶金 物理化学 有机化学
作者
Shengping Deng,Min Yang,Yi‐Chi Wang,Soofin Cheng,Shiyu Li,Lin Gu,Ying Bai
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (33): 30010-30020 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c04225
摘要

Na3MnTi(PO4)3 (NMTP) represents an attractive cathode candidate for sodium-ion batteries, providing a low-cost and high-safety solution for energy storage systems. However, Mn2+ residing in the Na+ vacancy seriously hinders Na+ transportation, which significantly impedes NMTP from achieving the theoretical specific capacity. Herein, we introduce a cation gap-filling strategy via excess sodium incorporation to effectively suppress the Mn2+ occupation at Na sites, thereby increasing the Na+ vacancy concentration and promoting rapid Na+ diffusion kinetics. Cyclic voltammetry and galvanostatic intermittent titration technique tests further demonstrate the faster reaction kinetics of Na3.5MnTi(PO4)3 (NMTP-Na0.5). The cathode-electrolyte side reactions are effectively inhibited through the introduction of additional sodium, as confirmed by HRTEM and XPS analyses. In situ XRD and density functional theory (DFT) calculations reveal reduced structural evolution and lower Na+ migration energy barriers upon tuning the sodium vacancy concentration. Consequently, the synthesized Na3.5MnTi(PO4)3 (NMTP-Na0.5) exhibits exceptional electrochemical properties, achieving an ultrahigh capacity of 163.9 mAh g-1 at 0.1 C. This performance ensures a stable energy output of approximately 500 × 103 mWh kg-1, along with a high rate capability and cycling stability. This work provides a viable pathway toward the development of high-energy-density electrode materials for next-generation grid-scale energy storage applications.
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