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Stabilizing fluorine to achieve high-voltage and ultra-stable Na3V2(PO4)2F3 cathode for sodium ion batteries

材料科学 阴极 高原(数学) 电压 高压 化学工程 离子 光电子学 纳米技术 电气工程 化学 冶金 数学分析 工程类 有机化学 数学
作者
Liang Deng,Fu‐Da Yu,Xia Yang,Yunshan Jiang,Xu‐Lei Sui,Lei Zhao,Xianghui Meng,Lan‐Fang Que,Zhen‐Bo Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:82: 105659-105659 被引量:110
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105659
摘要

Na3V2(PO4)2F3 is a promising cathode candidate for sodium ion batteries due to its high working voltage. However, an “unknown” low-voltage plateau around ~3.3 V lowers its operating voltage and puzzles researchers. Herein, the reasons for its appearance are explored. It is found that the formation of the low-voltage plateau originates from the extra-generated [VO6] induced by the fluorine loss during the synthesis. To enable better performance, a feasible strategy of stabilizing fluorine is proposed to eliminate the low-voltage plateau. It is demonstrated that this strategy can effectively guarantee the existence of fluorine and modulate the local electronic structure of V to maintain [VO4F2] in Na3V2(PO4)2F3 phase, thus eliminating the undesirable plateau and achieving an operating-voltage increase of ~100 mV. Moreover, the enhanced structural stability and kinetics of the optimized Na3V2(PO4)2F3 cathode are confirmed by in-situ XRD. As expected, the Na3V2(PO4)2F3 cathode delivers higher energy density (446.4 Wh kg−1), better rate capability and longer cycling performance (89.2%@30 C after 1000 cycles). Furthermore, its excellent adaptability to wide temperature range (−25 °C–55 °C) and strong competence in Na3V2(PO4)2F3||hard carbon full-cell are verified. These excellent properties further qualify Na3V2(PO4)2F3 as a competitive cathode for sodium ion batteries.
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