From Solid-Solution MXene to Cr-Substituted Na3V2(PO4)3: Breaking the Symmetry of Sodium Ions for High-Voltage and Ultrahigh-Rate Cathode Performance

材料科学 阴极 离子 热扩散率 固溶体 纳米晶 氧化还原 Atom(片上系统) 纳米技术 物理化学 化学 热力学 嵌入式系统 物理 有机化学 冶金 计算机科学
作者
Hong Yu,Xiaopeng Ruan,Jinjin Wang,Zhen‐Yi Gu,Qinghua Liang,Junming Cao,Jinzhao Kang,Cheng‐Feng Du,Xing‐Long Wu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 21174-21185 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c09122
摘要

Stabilizing Na+ accessibility at high voltage and accelerating Na+ diffusivity are pressing issues to further enhance the energy density of the Na3V2(PO4)3 (NVP) cathode for sodium-ion batteries (SIBs). Herein, by taking a V/Cr solid-solution MXene as a precursor, a facile in-situ reactive transformation strategy to embed Cr-substituted NVP (NVCP) nanocrystals in a dual-carbon network is proposed. Particularly, the substituted Cr atom triggers the accessibility of additional Na+ in NVCP, which is demonstrated by an additional reversible redox plateau at 4.0 V even under extreme conditions. More importantly, the Cr atom alters the Na+ ordering at the Na2 sites with an additional intermediate phase formation during charging/discharging, thus reducing the energy barriers for Na+ migration. As a result, Na+ diffusivity in NVCP accelerates to 2-3 orders of magnitude higher than that of NVP. Eventually, the NVCP cathode exhibits extraordinarily high-rate capability (78 mA g-1 at 200 C and 68975 W kg-1), outstanding cycle stability (over 1500 cycles at 10 C), excellent low-temperature property, and full cell performance.
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