Interconnected mesoporous Na2FeSiO4 nanospheres supported on carbon nanotubes as a highly stable and efficient cathode material for sodium-ion battery

材料科学 钠离子电池 阴极 电化学 碳纳米管 X射线光电子能谱 化学工程 碳纤维 纳米技术 复合数 电极 化学 法拉第效率 复合材料 物理化学 工程类
作者
Basit Ali,Ata Ur Rehman,Fouzia Ghafoor,Muhammad Imran Shahzad,Said Karim Shah,Syed Mustansar Abbas
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:396: 467-475 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.06.049
摘要

Nanostructured sodium metal orthosilicates hold a lot of promise as next-generation cathodes but their practical application is hindered by the complex crystal structure and electrochemical behaviour. Herein, cubic polymorphs of Na2FeSiO4 with F-43 m symmetry decorated on carbon nanotubes have been synthesised successfully using a novel two-step process. The composite material with 0.08 wt% of carbon nanotubes demonstrate a capacity corresponding to a 1.25 sodium-ion exchange process resulting in 172.9 mAh g−1 at 0.1C cycled in the voltage range between 1.5 and 4.5 V. This work also highlights the mechanism of insertion/extraction process using complementary techniques of X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction revealing the involvement of Fe 3 d band and conversion of Fe+2 to Fe+3 during first sodium-ion extraction while second sodium-ion extraction is possible due to further oxidation of Fe+3. The discharge capacity is remarkable even at the high current rate of 20C, where we obtained the final capacity of 109.3 mAh g−1. The excellent electrochemical performance reported here is due to the high structural stability of Na2FeSiO4 composed of rigid corner-sharing tetrahedra, improved electronic conductivity by carbon nanotubes, reduced particle size, increased defect structure, high sodium-ion diffusion coefficient and the decreased charge transfer resistances.
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