Sodium Intercalation Mechanism of 3.8 V Class Alluaudite Sodium Iron Sulfate

氧化还原 氧烷 插层(化学) 化学 电化学 密度泛函理论 无机化学 反应机理 结晶学 光谱学 电极 物理化学 催化作用 计算化学 有机化学 物理 量子力学 生物化学
作者
Gosuke Oyama,Oliver Pecher,Kent J. Griffith,Shin‐ichi Nishimura,Roberta Pigliapochi,Clare P. Grey,Atsuo Yamada
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:28 (15): 5321-5328 被引量:94
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.6b01091
摘要

Alluaudite sodium iron sulfate Na2+2xFe2–x(SO4)3 is one of the most promising candidates for a Na-ion battery cathode material with earth-abundant elements; it exhibits the highest potential among any Fe3+/Fe2+ redox reactions (3.8 V vs Na/Na+), good cycle performance, and high rate capability. However, the reaction mechanism during electrochemical charging/discharging processes is still not understood. Here, we surveyed the intercalation mechanism via synchrotron X-ray diffraction (XRD), 23Na nuclear magnetic resonance (NMR), density functional theory (DFT) calculations, X-ray absorption near edge structure (XANES), and Mössbauer spectroscopy. Throughout charging/discharging processes, the structure undergoes a reversible, single-phase (solid solution) reaction based on a Fe3+/Fe2+ redox reaction with a small volume change of ca. 3.5% after an initial structural rearrangement upon the first charging process, where a small amount of Fe irreversibly migrates from the original site to a Na site. Sodium extraction occurs in a sequential manner at various Na sites in the structure at their specific voltage regions.
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