Understanding the superior sodium-ion storage in a novel Na3.5Mn0.5V1.5(PO4)3 cathode

材料科学 阴极 电化学 循环伏安法 介电谱 钠离子电池 X射线光电子能谱 分析化学(期刊) 化学工程 电极 物理化学 冶金 化学 法拉第效率 工程类 色谱法
作者
Jian Zhang,Xudong Zhao,Yuzhu Song,Qiang Li,Yongchang Liu,Jun Chen,Xianran Xing
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:23: 25-34 被引量:148
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2019.05.041
摘要

Na3V2(PO4)3 is one of the most promising cathodes for sodium-ion batteries (SIBs) due to its three-dimensional framework. To meet practical feasibility, the substitution of vanadium with low-cost active elements is urgent. Here the Na+ superionic conductor (NASICON)-type Na3.5Mn0.5V1.5(PO4)3 nanoparticles homogeneously embedded in porous carbon matrix are prepared and investigated as a novel cathode for SIBs. The as-prepared Na3.5Mn0.5V1.5(PO4)3/C could deliver a desirable average discharge potential of 3.43 V vs. Na+/Na with fascinating rate capability of 92.7 mA h g−1 at 60C and impressive capacity retention of 87.2% after 4000 cycles at 20C. In situ X-ray diffraction reveals that the electrochemical process undergoes highly reversible biphasic transition and single phase change with a relatively small volume change (8.21%), ensuring the high structural stability and excellent cyclic capability. The reversible evolution of Mn2+/3+ and V3+/4+ redox couples upon Na+ extraction/insertion has been revealed by the confirmation of valence state via both ex situ X-ray absorption near-edge structure spectra and X-ray photoelectron spectroscopy. The superior performance of Na3.5Mn0.5V1.5(PO4)3 could be attributed to the high electronic/ionic conductivity and low sodium-ion diffusion energy barrier, which is supported by the electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry measurements, as well as density functional theory computations.
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