Sc-doping in Na3Zr2Si2PO12 electrolytes enables preeminent performance of solid-state sodium batteries in a wide temperature range

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作者
Qiao Wang,Chuang Yu,Liping Li,Xiaoqing Liu,Xin Zhang,Guichen Gao,Yaowen Wang,Guangshe Li
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:54: 135-145 被引量:50
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.10.026
摘要

Solid-state sodium batteries (SSSBs) display great potential in scale energy storage for their safety, cost and sustainability. However, it is a great challenge to achieve high ionic conductivity and temperature adaptability for most sodium-ion solid electrolytes. Here, we first demonstrate that Sc3+-doped Na3Zr2Si2PO12 (NASICON) is a promising electrolyte for a wide temperature range utilizing in SSSBs from 0 to 80 °C. Optimal Na3.4Zr1.6Sc0.4Si2PO12 shows a superior Na-ion conductivity, up to 1.77 × 10−3 S cm−1 at room temperature, and excellent Na metal compatibility, as confirmed by a symmetrical cell test. Furthermore, the solid-state sodium battery with the configuration of Na3V2(PO4)3/Na3.4Zr1.6Sc0.4Si2PO12/Na maintains a discharge capacity of 98.7 mAh g−1 at 1C after 300 cycles at room temperature. Even at 0 °C, the battery still displays a reversible capacity of 99.2 mAh g−1 at 0.1C after 100 cycles. Through the structure analysis and ex-situ and in-situ electrochemical characterizations, the reasons that dominate the excellent performance of the assembled all-solid-state sodium battery with NASICON electrolytes are initially revealed.
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