Revealing the structural chemistry in Na6−2Fe (SO4)3 (1.5 ≤ x ≤ 2.0) for low-cost and high-performance sodium-ion batteries

电化学 离子 相(物质) 材料科学 储能 化学工程 纳米技术 化学 电极 热力学 物理化学 有机化学 物理 工程类 功率(物理) 冶金
作者
Along Zhao,Fangjie Ji,Changyu Liu,Shihao Zhang,Kean Chen,Weihua Chen,Xiangming Feng,Faping Zhong,Xinping Ai,Hanxi Yang,Yongjin Fang,Yuliang Cao
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier BV]
卷期号:68 (17): 1894-1903 被引量:58
标识
DOI:10.1016/j.scib.2023.07.034
摘要

Fe-based polyanionic sulfate materials are one of the most promising candidates for large-scale applications in sodium-ion batteries due to their low cost and excellent electrochemical performance. Although great achievements have been gained on a series of Na6−2xFex(SO4)3 (NFSO-x, 1.5 ≤ x ≤ 2.0) materials such as Na2Fe2(SO4)3, Na2Fe1.5(SO4)3, and Na2.4Fe1.8(SO4)3 for sodium storage, the phase and structure characteristics on these NFSO-x are still controversial, making it difficult to achieve phase-pure materials with optimal electrochemical properties. Herein, six NFSO-x samples with varied x are investigated via both experimental methods and density functional theory calculations to analyze the phase and structure properties. It reveals that a pure phase exists in the 1.6 ≤ x ≤ 1.7 region of the NFSO-x, and part of Na ions tend to occupy Fe sites to form more stable frameworks. The NFSO-1.7 exhibits the best electrochemical performance among the NFSO-x samples, delivering a high discharge capacity (104.5 mAh g−1 at 0.1 C, close to its theoretical capacity of 105 mAh g−1), excellent rate performance (81.5 mAh g−1 at 30 C), and remarkable cycle stability over 10,000 cycles with high-capacity retention of 72.4%. We believe that the results are useful to clarify the phase and structure characteristics of polyanionic materials to promote their application for large-scale energy storage.
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