Mn‐Rich Phosphate Cathode for Sodium‐Ion Batteries: Anion‐Regulated Solid Solution Behavior and Long‐Term Cycle Life

材料科学 阴极 离子 循环伏安法 相(物质) 固溶体 无机化学 分析化学(期刊) 电化学 电极 物理化学 化学 有机化学 冶金 色谱法
作者
Qi‐Min Yin,Zhen‐Yi Gu,Yan Liu,Hong‐Yan Lü,Yitong Liu,Yichun Liu,Meng‐Yuan Su,Jin‐Zhi Guo,Xing‐Long Wu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (38) 被引量:53
标识
DOI:10.1002/adfm.202304046
摘要

Abstract As a sodium superionic conductor, Mn‐rich phosphate of Na 3.4 Mn 1.2 Ti 0.8 (PO 4 ) 3 is considered as one of the promising cathodes for sodium‐ion batteries owing to its good thermodynamic stability and high working voltage. However, Na 3.4 Mn 1.2 Ti 0.8 (PO 4 ) 3 is faced with low electronic conductivity, poor cycling stability and complex phase transition caused by multi‐electron transfers, which limits its practical application. Herein, an anion‐regulated strategy is proposed to optimize the Mn‐rich Na 3.4 Mn 1.2 Ti 0.8 (PO 4 ) 3 phosphate cathode. After introducing F anions into the lattice, the rate performance is improved from 60.5 to 72.8 mAh g −1 at 20 C. Ascribed to unique structure design, the reaction kinetics of Na 3.4 Mn 1.2 Ti 0.8 (PO 4 ) 3 are significantly improved, as demonstrated by cyclic voltammetry at varied scan rates and galvanostatic intermittent titration technique. The generated M‐F bond inhibits Jahn–Teller effect with an improved cycle stability (85.8 mAh g −1 after 1000 cycles at 5 C with 94.3% capacity retention). Interestingly, reaction mechanism of Na 3.4 Mn 1.2 Ti 0.8 (PO 4 ) 3 with the complex two‐phase and solid solution reactions changes to the whole solid solution reaction after fluorine substitution, and leads to a smaller volume change of 5.41% during reaction processes, which is verified by in situ X‐ray diffraction. This anion regulation strategy provides a new method for designing the high‐performance phosphate cathode materials of sodium‐ion batteries.
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