Revealing the Fast and Durable Na+ Insertion Reactions in a Layered Na3Fe3(PO4)4 Anode for Aqueous Na-Ion Batteries

阳极 水溶液 材料科学 电极 离子 结晶学 分析化学(期刊) 化学 物理化学 有机化学 色谱法
作者
Qiu Shen,Marcos Lucero,Xianyong Wu,Qi Wang,Maoyu Wang,Yan Wang,Widitha Samarakoon,Meilani R. Bolding,Zhenzhen Yang,Yaqin Huang,Zhichuan J. Xu,Meng Gu,Zhenxing Feng
出处
期刊:ACS Materials Science Au [American Chemical Society]
卷期号:2 (1): 63-71 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsmaterialsau.1c00035
摘要

Aqueous sodium-ion batteries represent a promising approach for stationary energy storage; however, the lack of appropriate anode materials has substantially retarded their development. Herein, we demonstrated an iron-based phosphate material of Na3Fe3(PO4)4 as an inexpensive and efficacious anode alternative. While the Fe3+/Fe2+ redox couple renders a two-Na-insertion reaction with desirable potentials, its unique layered structure further facilitates the Na-insertion kinetics and reversibility. Consequently, this electrode exhibits an appealing Na-insertion performance, with a reversible capacity of ∼83 mAh g-1, suitable anode potential of -0.4 V vs Ag/AgCl, excellent rate capability of 200 C, and outstanding cycling of 6000 cycles. Utilizing operando synchrotron X-ray diffraction and X-ray absorption spectroscopy, we revealed the structural evolution of the Na3Fe3(PO4)4 anode during the two-electron reaction, where the extremely small volume expansion (∼3%) enables its fast-charging and long-cycling capability. Our work suggests new considerations of developing versatile iron phosphate compounds as appealing anode materials for energy storage in aqueous electrolytes.
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