Progress on Mn-Based NASICON-Structured Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries
- J Wuhan Univ （Nat Sci Ed） Vol. 69, Issue 4, Pages: 432-439(2023)
- 作者机构：
1.武汉工程大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430205
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DOI：10.14188/j.1671-8836.2022.0305
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YANG Chenguang, LI Bei, TANG Ao, et al. Progress on Mn-Based NASICON-Structured Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries. [J]. J Wuhan Univ （Nat Sci Ed） 69(4):432-439(2023)
YANG Chenguang, LI Bei, TANG Ao, et al. Progress on Mn-Based NASICON-Structured Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries. [J]. J Wuhan Univ （Nat Sci Ed） 69(4):432-439(2023) DOI： 10.14188/j.1671-8836.2022.0305.
摘要
Mn基钠超离子导体（NASICON）结构材料NaMnM（PO,4,）,3,（M=V、Ti、Cr、Zr、Fe等）具有组分、结构、电位可调且成本低等特点，作为钠离子电池正极材料极具应用前景。本文系统总结了Mn基NASICON结构材料的结构特征和电化学性能，探讨了该类材料存在的关键问题以及改性途径，并提出其作为正极材料未来的研究方向。
Abstract
Mn-based sodium superionic conductor (NASICON) structured materials (NaMnM(PO,4,),3, M=V, Ti, Cr, Zr, Fe) have a promising application prospect as cathode materials for sodium-ion batteries, due to their advantages of the good adjustability of composition, structure and potential, as well as low cost. This review summarizes the structural and electrochemical characteristics of Mn-based NASICON-structured materials, then analyzes the main issues of the materials and their corresponding modification strategies, and finally suggests the future research directions of such materials as cathodes for sodium-ion batteries.
关键词
钠离子电池正极材料NASICON电化学性能
Keywords
sodium-ion batterycathode materialNASICONelectrochemical performance
references
VAALMA C， BUCHHOLZ D， WEIL M， et al. A cost and resource analysis of sodium-ion batteries［J］. Nature Reviews Materials， 2018， 3： 1-11. DOI： 10.1038/natrevmats.2018.13http://dx.doi.org/10.1038/natrevmats.2018.13.
SLATER M D， KIM D， LEE E， et al. Sodium‐ion batteries［J］. Advanced Functional Materials， 2013， 23（8）： 947-958. DOI： 10.1002/adfm.201200691http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201200691.
HWANG J Y， MYUNG S T， SUN Y K. Sodium-ion batteries： Present and future［J］. Chemical Society Reviews， 2017， 46（12）： 3529-3614. DOI： 10.1039/c6cs00776ghttp://dx.doi.org/10.1039/c6cs00776g.
YABUUCHI N， KUBOTA K， DAHBI M， et al. Research development on sodium-ion batteries［J］. Chemical Reviews， 2014， 114（23）： 11636-11682. DOI： 10.1021/cr500192fhttp://dx.doi.org/10.1021/cr500192f.
HU P， ZOU Z Y， SUN X W， et al. Uncovering the potential of M1‐site‐activated NASICON cathodes for Zn‐ion batteries［J］. Advanced Materials， 2020， 32（14）： 1907526. DOI： 10.1002/adma.201907526http://dx.doi.org/10.1002/adma.201907526.
CHEN S Q， WU C， SHEN L F， et al. Challenges and perspectives for NASICON‐type electrode materials for advanced sodium‐ion batteries［J］. Advanced Materials， 2017， 29（48）： 1700431. DOI： 10.1002/adma.201700431http://dx.doi.org/10.1002/adma.201700431.
JIAN Z L， HU Y S， JI X L， et al. NASICON‐structured materials for energy storage［J］. Advanced Materials， 2017， 29（20）： 1601925. DOI： 10.1002/adma.201601925http://dx.doi.org/10.1002/adma.201601925.
HONG H Y P. Crystal structures and crystal chemistry in the system Na1+xZr2SixP3-xO12［J］. Materials Research Bulletin， 1976， 11（2）： 173-182. DOI： 10.1016/0025-5408（76）90073-8http://dx.doi.org/10.1016/0025-5408（76）90073-8.
GOODENOUGH J B， HONG H Y P， KAFALAS J A. Fast Na+-ion transport in skeleton structures［J］. Materials Research Bulletin， 1976， 11（2）： 203-220. DOI： 10.1016/0025-5408（76）90077-5http://dx.doi.org/10.1016/0025-5408（76）90077-5.
CHIHARA K， KITAJOU A， GOCHEVA I D， et al. Cathode properties of Na3M2（PO4）2F3 ［M=Ti， Fe， V］ for sodium-ion batteries［J］.Journal of Power Sources， 2013， 227： 80–85. DOI： 10.1016/j.jpowsour.2012.10.034http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.10.034.
JIAN Z L， HAN W Z， LU X， et al. Superior electrochemical performance and storage mechanism of Na3V2（PO4）3 cathode for room‐temperature sodium‐ion batteries［J］. Advanced Energy Materials， 2013， 3（2）： 156-160. DOI： 10.1002/aenm.201200558http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201200558.
SARAVANAN K， MASON C W， RUDOLA A， et al. The first report on excellent cycling stability and superior rate capability of Na3V2（PO4）3 for sodium ion batteries［J］. Advanced Energy Materials， 2013， 3（4）： 444-450. DOI： 10.1002/aenm.201200803http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201200803.
ZENG X G， PENG J， GUO Y， et al. Research progress on Na3V2（PO4）3 cathode material of sodium ion battery［J］. Frontiers in Chemistry， 2020， 8： 635. DOI： 10.3389/fchem.2020.00635http://dx.doi.org/10.3389/fchem.2020.00635.
ZHU C B， SONG K P， VAN AKEN P A， et al. Carbon-coated Na3V2 （PO4）3 embedded in porous carbon matrix： An ultrafast Na-storage cathode with the potential of outperforming Li cathodes［J］. Nano Letters， 2014， 14（4）： 2175-2180. DOI： 10.1021/nl500548ahttp://dx.doi.org/10.1021/nl500548a.
JIANG Y， YANG Z Z， LI W H， et al. Nanoconfined carbon-coated Na3V2（PO4）3 particles in mesoporous carbon enabling ultralong cycle life for sodium-ion batteries［J］. Advanced Energy Materials， 2015， 5（10）： 1402104. DOI： 10.1002/aenm.201402104http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201402104.
ZHANG Q， WANG W， WANG Y J， et al. Controllable construction of 3D-skeleton-carbon coated Na3V2（PO4）3 for high-performance sodium ion battery cathode［J］. Nano Energy， 2016， 20： 11-19. DOI：10.1016/j.nanoen.2015.12.005http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.12.005.
HU P， WANG X F， WANG T S， et al. Boron substituted Na3V2（P1-xBxO4）3 cathode materials with enhanced performance for sodium‐ion batteries［J］. Advanced science， 2016， 3（12）： 1600112. DOI： 10.1002/advs.201600525http://dx.doi.org/10.1002/advs.201600525.
LI H， TANG H M， MA C Z， et al. Understanding the electrochemical mechanisms induced by gradient Mg2+ distribution of Na-rich Na3+xV2-xMgx（PO4）3/C for sodium ion batteries［J］. Chemistry of Materials， 2018， 30（8）： 2498-2505. DOI： 10.1021/acs.chemmater.7b03903http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b03903.
LI H， BAI Y， WU F， et al. Na-rich Na3+xV2-xNix（PO4）3/C for sodium ion batteries： Controlling the doping site and improving the electrochemical performances［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2016， 8（41）： 27779-27787. DOI： 10.1021/acsami.6b09898http://dx.doi.org/10.1021/acsami.6b09898.
SHEN X， HAN M， SU Y， et al. Alkali metal ion induced lattice regulation for all climate NASICON-type cathode with superior Na-storage performance［J］. Nano Energy， 2023， 114： 108640. DOI：10.1016/j.nanoen.2023.108640http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108640.
ZAKHARKIN M V， DROZHZHIN O A， TERESH-CHENKO I V， et al. Enhancing Na+ extraction limit through high voltage activation of the NASICON-type Na4MnV（PO4）3 cathode［J］. ACS Applied Energy Materials， 2018， 1（11）： 5842-5846. DOI： 10.1021/acsaem.8b01269http://dx.doi.org/10.1021/acsaem.8b01269.
ZHANG J， LIU Y C， ZHAO X D， et al. A novel NASICON‐type Na4MnCr（PO4）3 demonstrating the energy density record of phosphate cathodes for sodium‐ion batteries［J］. Advanced Materials， 2020， 32（11）： 1906348. DOI： 10.1002/adma.201906348http://dx.doi.org/10.1002/adma.201906348.
ZHANG W， LI H X， ZHANG Z A， et al. Full activation of Mn4+/Mn3+ redox in Na4MnCr（PO4）3 as a high‐voltage and high‐rate cathode material for sodium‐ion batteries［J］. Small， 2020， 16（25）： 2001524. DOI： 10.1002/smll.202001524http://dx.doi.org/10.1002/smll.202001524.
ZHANG H， JEONG S， QIN B S， et al. Towards high‐performance aqueous sodium‐ion batteries： Stabilizing the solid/liquid interface for NASICON‐type Na2VTi（PO4）3 using concentrated electrolytes［J］. ChemSusChem， 2018， 11（8）： 1382-1389. DOI： 10.1002/cssc.201800194http://dx.doi.org/10.1002/cssc.201800194.
WANG H B， ZHANG T R， CHEN C， et al. High-performance aqueous symmetric sodium-ion battery using NASICON-structured Na2VTi（PO4）3［J］. Nano Research， 2018， 11（1）： 490-498. DOI： 10.1007/s12274-017-1657-5http://dx.doi.org/10.1007/s12274-017-1657-5.
GILANKAR A， MITRA A， SINGH J， et al. Investigations on different strategies towards improving the electrochemical properties of Na2VTi（PO4）3 for symmetrical sodium-ion batteries［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2021， 851： 156813. DOI： 10.1016/j.jallcom.2020.156813http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156813.
GAO H C， SEYMOUR I D， XIN S， et al. Na3MnZr（PO4）3： A high-voltage cathode for sodium batteries［J］. Journal of the American Chemical Society， 2018， 140（51）： 18192-18199. DOI： 10.1021/jacs.8b11388http://dx.doi.org/10.1021/jacs.8b11388.
CAO Y J， YANG C， LIU Y， et al. A new polyanion Na3Fe2（PO4）P2O7 cathode with high electrochemical performance for sodium-ion batteries［J］. ACS Energy Letters， 2020， 5（12）：3788-3796. DOI： 10.1021/acsenergylett.0c01902http://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.0c01902.
XU C L， ZHAO J M， WANG E H， et al. A novel NASICON‐typed Na4VMn0.5Fe0.5（PO4）3 cathode for high‐performance Na‐ion batteries［J］. Advanced Energy Materials， 2021， 11（22）： 2100729. DOI： 10.1002/aenm.202100729http://dx.doi.org/10.1002/aenm.202100729.
CHEN F， KOVRUGIN V M， DAVID R， et al. A NASICON‐type positive electrode for Na batteries with high energy density： Na4MnV（PO4）3［J］. Small Methods， 2019， 3（4）： 1800218. DOI： 10.1002/smtd.201800218http://dx.doi.org/10.1002/smtd.201800218.
ZHOU W， XUE L， LÜ X， et al. NaxMV（PO4）3 （M=Mn， Fe，Ni） structure and properties for sodium extraction［J］. Nano Letters， 2016， 16（12）： 7836-7841. DOI： 10.1021/acs.nanolett.6b04044http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04044.
ESSEHLI R， ALKHATEEB A， MAHMOUD A， et al. Optimization of the compositions of polyanionic sodium-ion battery cathode NaFe2-xVx （PO4）（SO4）2［J］. Journal of Power Sources， 2020， 469： 228417. DOI： 10.1016/j.jpowsour.2020.228417http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228417.
FANG R H， OLCHOWKA J， PABLOS C， et al. Impact of the F- for O2- substitution in Na3V2（PO4）2F3-yOy on their transport properties and electrochemical performance［J］. ACS Applied Energy Materials， 2022， 5（1）： 1065-1075. DOI： 10.1021/acsaem.1c03446http://dx.doi.org/10.1021/acsaem.1c03446.
GAO X Y， LIAN R Q， HE L， et al. Phase transformation， charge transfer， and ionic diffusion of Na4MnV（PO4）3 in sodium-ion batteries： A combined first-principles and experimental study［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2020， 8（34）： 17477-17486. DOI： 10.1039/D0TA05929Chttp://dx.doi.org/10.1039/D0TA05929C.
ZHU T， HU P， WANG X P， et al. Realizing three‐electron redox reactions in NASICON‐structured Na3MnTi（PO4）3 for sodium‐ion batteries［J］. Advanced Energy Materials， 2019， 9（9）：1803436. DOI： 10.1002/aenm.201803436http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201803436.
LAVELA P， KLEE R， TIRADO J L. On the benefits of Cr substitution on Na4MnV（PO4）3 to improve the high voltage performance as cathode for sodium-ion batteries［J］. Journal of Power Sources， 2021， 495： 229811. DOI： 10.1016/j.jpowsour.2021.229811http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229811.
WANG J Y， WANG Y， SEO D H， et al. A high‐energy NASICON‐type cathode material for Na‐ion batteries［J］. Advanced Energy Materials， 2020， 10（10）：1903968. DOI： 10.1002/aenm.201903968http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201903968.
SINGH B， WANG Z L， PARK S， et al. A chemical map of NaSICON electrode materials for sodium-ion batteries［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2021， 9（1）：281-292. DOI： 10.1039/d0ta10688ghttp://dx.doi.org/10.1039/d0ta10688g.
ZAKHARKIN M V， DROZHZHIN O A， RYAZANTSEV S V， et al. Electrochemical properties and evolution of the phase transformation behavior in the NASICON-type Na3+xMnxV2-x（PO4）3 （0≤x≤1） cathodes for Na-ion batteries［J］. Journal of Power Sources， 2020， 470：228231. DOI： 10.1016/j.jpowsour.2020.228231http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228231.
ANISHCHENKO D V， ZAKHARKIN M V， NIKITINA V A， et al. Phase boundary propagation kinetics predominately limit the rate capability of NASICON-type Na3+xMnxV2-x（PO4）3 （0≤x≤1） materials［J］. Electrochimica Acta， 2020， 354：136761. DOI： 10.1016/j.electacta.2020.136761http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136761.
TANG A， LIN W G， XIAO D D， et al. High rate capability achieved by reducing the miscibility gap of Na4-xMnV（PO4）3［J］. Inorganic Chemistry Frontiers， 2022， 9（21）：5454-5462. DOI： 10.1039/d2qi01568dhttp://dx.doi.org/10.1039/d2qi01568d.
CHENG S Q， LI W N， XIAO S H， et al. Effects of calcination temperature on electrochemical properties of cathode material Na4MnV（PO4）3/C synthesized by sol-gel method for sodium-ion batteries［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2021， 850：156707. DOI： 10.1016/j.jallcom.2020.156707http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156707.
ZHANG W， ZHANG Z A， LI H X， et al. Engineering 3D well-interconnected Na4MnV（PO4）3 facilitates ultrafast and ultrastable sodium storage［J］. ACS applied materials & interfaces， 2019， 11（39）： 35746-35754. DOI： 10.1021/acsami.9b12214http://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b12214.
ZHU T， HU P， CAI C C， et al. Dual carbon decorated Na3MnTi（PO4）3： A high-energy-density cathode material for sodium-ion batteries［J］. Nano Energy， 2020， 70： 104548. DOI： 10.1016/j.nanoen.2020.104548http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104548.
ZOU Z Y， LI Y J， LU Z H， et al. Mobile ions in composite solids［J］. Chemical Reviews， 2020， 120（9）： 4169-4221. DOI： 10.1021/acs.chemrev.9b00760http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00760.
WANG Q， ZHANG M Y， ZHOU C G， et al. Concerted ion-exchange mechanism for sodium diffusion and its promotion in Na3V2（PO4）3 framework［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2018， 122（29）： 16649-16654. DOI：10.1021/acs.jpcc.8b06120http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b06120.
RAJAGOPALAN R， ZHANG Z N， TANG Y G， et al. Understanding crystal structures， ion diffusion mechanisms and sodium storage behaviors of NASICON materials［J］. Energy Storage Materials， 2021， 34： 171-193. DOI： 10.1016/j.ensm.2020.09.007http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2020.09.007.
GHOSH S， BARMAN N， MAZUMDER M， et al. High capacity and high-rate NASICON‐Na3.75V1.25Mn0.75（PO4）3 cathode for Na‐ion batteries via modulating electronic and crystal structures［J］. Advanced Energy Materials， 2020， 10： 1902918. DOI： 10.1002/aenm.201902918http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201902918.
ZHANG J， ZHAO X D， SONG Y Z， et al. Understanding the superior sodium-ion storage in a novel Na3.5Mn0.5V1.5（PO4）3 cathode［J］. Energy Storage Materials， 2019， 23： 25-34. DOI： 10.1016/j.ensm.2019.05.041http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2019.05.041.
KUMAR P R， KHEIREDDINE A， NISAR U， et al. Na4MnV（PO4）3-rGO as Advanced cathode for aqueous and non-aqueous sodium ion batteries［J］. Journal of Power Sources， 2019， 429： 149-155. DOI： 10.1016/j.jpowsour.2019.04.080http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.04.080.
CUI G， DDONG Q， WANG Z， et al. Achieving highly reversible and fast sodium storage of Na4VMn（PO4）3/C-rGO composite with low-fraction rGO via spray-drying technique［J］. Nano Energy， 2021， 89： 106462. DOI： 10.1016/j.nanoen.2021.106462http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106462.
ZHANG W， LI H， ZHANG Z， et al. Full activation of Mn4+/Mn3+ redox in Na4MnCr（PO4）3 as a high-voltage and high-rate cathode material for sodium-ion batteries［J］. Small， 2020， 16（25）： 2001524. DOI： 10.1002/smll.202001524http://dx.doi.org/10.1002/smll.202001524.
ZHU T， HU P， CAI C， et al. Dual carbon decorated Na3MnTi（PO4）3： A high-energy-density cathode material for sodium-ion batteries［J］. Nano Energy， 2020， 70： 104548. DOI： 10.1016/j.nanoen.2020.104548http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104548.
ZHANG W， ZHANG Z， LI H， et al. Engineering 3D well-interconnected Na4MnV（PO4）3 facilitates ultrafast and ultrastable sodium storage［J］. ACS Applied Materials Interfaces， 2019， 11（39）： 35746-35754. DOI： 10.1021/acsami.9b12214http://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b12214.
ANISHCHENKO D V， ZAKHARKIN M V， NIKTINA V A，et al. Phase boundary propagation kinetics predominately limit the rate capability of NASICON-type Na3+xMnxV2-x（PO4）3 （0≤x≤1） materials［J］. Electrochimica Acta， 2020， 354： 136761. DOI： 10.1016/j.electacta.2020.136761http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136761.
XU C， XIAO R. ZHAO J，et al. Mn-rich phosphate cathodes for Na-ion batteries with superior rate performance［J］. ACS Energy Letters， 2021， 7（1）： 97-107. DOI： 10.1021/acsenergylett.1c02107http://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02107.
ZHAO Y J， GAO X W， GAO H C， et al. Elevating energy density for sodium-ion batteries through multielectron reactions［J］. Nano Letters， 2021， 21（5）： 2281-2287. DOI： 10.1021/acs.nanolett.1c00100http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00100.
XU C， ZHAO J， WANG E， et al. A novel NASICON-typed Na4VMn0.5Fe0.5（PO4）3 cathode for high erformance Na+ ion Batteries［J］. Advanced Energy Materials. 2023， 11： 2100729. DOI： 10.1002/aenm.202100729http://dx.doi.org/10.1002/aenm.202100729.
PARK S， CHOTARD J N， CARLIER D， et al. Irreversible electrochemical reaction at high voltage induced by distortion of Mn and V structural environments in Na4MnV（PO4）3［J］. Chemistry of Materials， 2023， 35（8）： 3181-3195. DOI： 10.1021/acs.chemmater.2c03787http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c03787.
BURYAK N S， ANISHCHENKC D V， LEVIN E E， et al. High-voltage structural evolution and its kinetic consequences for the Na4MnV（PO4）3 sodium-ion battery cathode material［J］. Journal of Power Sources， 2022， 518： 230769. DOI： 10.1016/j.jpowsour.2021.230769http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230769.
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