Rationally Designed Sodium Chromium Vanadium Phosphate Cathodes with Multi‐Electron Reaction for Fast‐Charging Sodium‐Ion Batteries

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作者
Wei Zhang,Yulun Wu,Zhenming Xu,Huangxu Li,Ming Xu,Jianwei Li,Yuhang Dai,Wei Zong,Ruwei Chen,Huihui Liang,Zhian Zhang,Dan J. L. Brett,Guanjie He,Yanqing Lai,Ivan P. Parkin
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (25) 被引量:100
标识
DOI:10.1002/aenm.202201065
摘要

Abstract Sodium super‐ionic conductor (NASICON)‐structured phosphates are emerging as rising stars as cathodes for sodium‐ion batteries. However, they usually suffer from a relatively low capacity due to the limited activated redox couples and low intrinsic electronic conductivity. Herein, a reduced graphene oxide supported NASICON Na 3 Cr 0.5 V 1.5 (PO 4 ) 3 cathode (VC/C‐G) is designed, which displays ultrafast (up to 50 C) and ultrastable (1 000 cycles at 20 C) Na + storage properties. The VC/C‐G can reach a high energy density of ≈ 470 W h kg −1 at 0.2 C with a specific capacity of 176 mAh g −1 (equivalent to the theoretical value); this corresponds to a three‐electron transfer reaction based on fully activated V 5+ /V 4+ , V 4+ /V 3+ , V 3+ /V 2+ couples. In situ X‐ray diffraction (XRD) results disclose a combination of solid‐solution reaction and biphasic reaction mechanisms upon cycling. Density functional theory calculations reveal a narrow forbidden‐band gap of 1.41 eV and a low Na + diffusion energy barrier of 0.194 eV. Furthermore, VC/C‐G shows excellent fast‐charging performance by only taking ≈11 min to reach 80% state of charge. The work provides a widely applicable strategy for realizing multi‐electron cathode design for high‐performance SIBs.
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