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Site-selective Mg-doping regulated charge storage in NaFe2PO4(SO4)2 for high energy sodium-ion batteries

兴奋剂 离子 储能 电荷(物理) 材料科学 化学 光电子学 物理 有机化学 冶金 功率(物理) 量子力学
作者
Sharad Dnyanu Pinjari,Ravi C. Dutta,Shuimei Chen,Purandas Mudavath,Xiaodan Huang,John Bell,Suresh K. Bhatia,Ashok Kumar Nanjundan,Rohit Ranganathan Gaddam
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:493: 152485-152485 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.152485
摘要

The absence of compatible cathodes with higher specific capacity and energy density hampers the full-scale commercial adaptation of sodium-ion batteries (NIB). Engineering NASICON cathodes with Fe redox centre and mixed polyanions is promising to overcome the bottlenecks. Our study uses a chemo-mechanical route to synthesise NaFe2−xMgxPO4(SO4)2 (NFMPS), where the dopant, Mg, is strategically positioned at the Fe sites. To our knowledge, such a chemo-mechanical synthesis of metal-phosphosulphate has not been attempted so far, and our work also presents Mg2+ doping at the Fe site, in particular, for a NASICON-type NaFe2PO4(SO4)2 for the first time. With varying dopant concentrations, NFMPS is optimised to show a remarkable reversible capacity of around 111 mAh g−1 at C/20 with a corresponding energy density of 324 Wh kg−1. Even after 100 cycles at a C/5 current rate, the material retains 86.45 % of its initial capacity. An in-depth analysis of sodium-ion storage in NFMPS was conducted using electrochemical investigation, ex-situ characterisation methods and DFT calculations, where the presence of mixed polyanion and the dopant seem to enhance reversible sodium-ion (de)intercalation synergistically. DFT calculations indicate that the presence of Mg2+ can affect the localised electronic state of NFMPS and reduce the energy band gap of the material as evidenced from the electrical conductivity measurements for NFMPS. Ex-situ XRD studies at various (de)sodiation states showed that Mg-doping helps in retaining the material's structural integrity and providing larger lattice sites for enhanced sodium-ion diffusion (ranging from 10−11 to 10−12 cm2 s−1). Higher working voltages, better sodium-ion transport, and capacity retention make NFMPS a promising candidate as a sodium-ion battery cathode.
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