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Peculiarities of Phase Formation in Mn-Based Na SuperIonic Conductor (NaSICon) Systems: The Case of Na1+2xMnxTi2–x(PO4)3 (0.0 ≤ x ≤ 1.5)

快离子导体 固溶体 相图 相(物质) 材料科学 单斜晶系 结构精修 离子键合 电解质 离子 结晶学 化学 电极 晶体结构 物理化学 有机化学 冶金
作者
Gustautas Snarskis,Jurgis Pilipavičius,Denis Gryaznov,Lina Mikoliūnaitė,Linas Vilčiauskas
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (21): 8394-8403 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c02775
摘要

NAtrium SuperIonic CONductor (NASICON) structured phosphate framework compounds are attracting a great deal of interest as suitable electrode materials for "rocking chair" type batteries. Manganese-based electrode materials are among the most favored due to their superior stability, resource non-criticality, and high electrode potentials. Although a large share of research was devoted to Mn-based oxides for Li- and Na-ion batteries, the understanding of thermodynamics and phase formation in Mn-rich polyanions is still generally lacking. In this study, we investigate a bifunctional Na-ion battery electrode system based on NASICON-structured Na1+2x Mn x Ti2-x (PO4)3 (0.0 ≤ x ≤ 1.5). In order to analyze the thermodynamic and phase formation properties, we construct a composition-temperature phase diagram using a computational sampling by density functional theory, cluster expansion, and semi-grand canonical Monte Carlo methods. The results indicate finite thermodynamic limits of possible Mn concentrations in this system, which are primarily determined by the phase separation into stoichiometric Na3MnTi(PO4)3 (x = 1.0) and NaTi2(PO4)3 for x < 1.0 or NaMnPO4 for x > 1.0. The theoretical predictions are corroborated by experiments obtained using X-ray diffraction and Raman spectroscopy on solid-state and sol-gel prepared samples. The results confirm that this system does not show a solid solution type behavior but phase-separates into thermodynamically more stable sodium ordered monoclinic α-Na3MnTi(PO4)3 (space group C2) and other phases. In addition to sodium ordering, the anti-bonding character of the Mn-O bond as compared to Ti-O is suggested as another important factor governing the stability of Mn-based NASICONs. We believe that these results will not only clarify some important questions regarding the thermodynamic properties of NASICON frameworks but will also be helpful for a more general understanding of polyanionic systems.
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