All-climate and air-stable NASICON-Na2TiV(PO4)3 cathode with three-electron reaction toward high-performance sodium-ion batteries

氧化还原 电化学 阴极 快离子导体 化学 离子 X射线光电子能谱 分析化学(期刊) 离子键合 化学物理 材料科学 电解质 化学工程 电极 无机化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Wei Zhang,Zhenming Xu,Huangxu Li,Ming Xu,Sha Wang,Zheng Li,Aonan Wang,Liuyun Zhang,Liang He,Shihao Li,Bin Zhu,Zhian Zhang,Yanqing Lai
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:433: 133542-133542 被引量:56
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133542
摘要

Developing all-climate and air-stable cathode with multi-electron redox reaction is intriguing and challenging for sodium-ion batteries (SIBs). Herein, we synthesize a NASICON (Na super-ionic conductor)-type Na2TiV(PO4)3 with an elaborately-engineered architecture, which shows ultrastable (1000 cycles at 40C) and ultrafast (up to 40C) three-sodium storage performances with an ultrahigh capacity of 187 mA h g−1 (equals to theoretical value) at 0.1C. Also, it displays good air-stability and high/low-temperature properties. A series of stepwise solid-solution, two-phase, solid-solution and two-phase mechanisms are involved and a small volume change of 4.9% is identified according to the operando X-ray diffraction results. Ex situ X-ray photoelectron spectroscopy reveals that V4+/V3+, Ti4+/Ti3+ and V3+/V2+ redox reactions are accompanied with three-sodium storage processes. The small band gap of 1.48 eV and fast 3D Na+ diffusion pathways with low energy barrier of 0.2 eV calculated through first-principles calculations are responsible for the superior electrochemical performances. Our work prepares Na2TiV(PO4)3 with three-electron redox and high performance for future practical SIBs applications.
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