低熵多金属掺杂改性的Na3V2(PO4)3正极：对高性能钠离子电池的协同增效作用

《ChemSusChem》：Low-Entropy Multimetal Doping-Modified Na3V2(PO4)3 Cathodes: Synergetic Enhancement for High-Performance Sodium-Ion Batteries

本研究采用低熵掺杂策略，通过溶胶-凝胶法制备Ti/Cr/Fe/Mn/Ca共掺杂Na3V2(PO4)3材料，显著提升结构稳定性、电子导电性和钠离子扩散动力学，在0.5C下容量达97.09mAh/g，循环4000次后容量保持率85.01%，为钠离子电池阴极材料设计提供新思路。

　　

摘要

钠离子电池（SIBs）已成为大规模储能系统中锂离子电池的有希望的替代品，但其发展受到高性能正极材料缺乏的阻碍。具有NASICON结构的Na₃V₂(PO₄)₃（NVP）是一种潜在的正极候选材料；然而，其结构稳定性不足以及Na⁺扩散动力学缓慢限制了其实际应用。本文提出了一种低熵掺杂策略，通过溶胶-凝胶法结合多种金属离子（Ti、Cr、Fe、Mn和Ca）来改性NVP，从而获得基于NVP的低熵材料（NV_2?xM_xP），随后进行退火处理。优化后的NV_1.8M_0.2P在0.5?C下的放电容量为97.09 mAh g^?1，在20?C下仍保持99.19 mAh g^?1（容量保持率为60.97%），在1?C下经过200次循环后容量仍为91.76%，在10?C下经过4000次循环后仍保留85.01%的初始容量。X射线衍射（XRD）Rietveld精修结果表明，低熵掺杂导致NV_2?xM_{xP的晶胞收缩，从而提高了其结构稳定性。部分态密度（PDOS）计算表明，这种掺杂策略将NVP的带隙从1.32 eV降低到0.173 eV，显著提高了电子导电性。电化学阻抗谱和恒电流间歇滴定技术显示，NV1.8M0.2P的电荷转移电阻较低（449.2?Ω），Na⁺扩散系数显著较高（3.8?×?10^?6 cm² s^?1），而原始NVP的扩散系数为8.3?×?10^?8 cm² s^?1）。此外，原位XRD和X射线光电子能谱验证了NV1.8M0.2P在循环过程中的可逆结构转变以及V³⁺ ? V⁴⁺氧化还原反应。这种低熵掺杂策略不仅为优化基于NVP的正极提供了有效方法，也为设计高性能SIBs的先进电极材料提供了有价值的指导。}

图形摘要

通过溶胶-凝胶退火法对Na₃V₂(PO₄)₃进行低熵Ti/Cr/Fe/Mn/Ca共掺杂，提高了结构稳定性、电子导电性和Na⁺扩散能力，使得在0.5 C下的放电容量达到97.09 mAh g^?1，经过4000次循环后容量保持率为85.01%，实现了高性能SIBs。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在本文的补充材料中找到。