Rekayasa Cacat Akibat Polarisasi Ionik pada Katoda Na4Fe3(PO4)2(P2O7): Pengisian Cepat dan Siklus Hidup Baterai Ion Natrium yang Sangat Panjang

Abstrak
Material katode Na4Fe3(PO4)2(P2O7) (NFPP) menghadapi tantangan dalam mengoordinasikan peningkatan kinerja tingkat tinggi dan stabilitas siklus panjang untuk baterai ion natrium (SIB). Studi ini mengusulkan strategi rekayasa cacat yang digerakkan oleh polarisasi ion, yang mengatur struktur elektronik dan dinamika transmisi Na+ dari NFPP melalui doping Bi3+. Hasil eksperimen dan perhitungan teoritis menunjukkan bahwa Bi3+ dengan konfigurasi elektron (18+2) secara signifikan meningkatkan stabilitas struktur kristal NFPP dengan memperkuat kovalensi ikatan Bi-O. Sementara itu, doping Bi3+ heterovalen mengoptimalkan celah pita material (dari 3,29 eV menjadi 0,16 eV) dan meningkatkan difusi Na+, sekaligus memperkenalkan cacat kisi untuk menyediakan tempat penyimpanan natrium tambahan. Katoda 0,02Bi-NFPP yang dioptimalkan menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik karena setengah sel hanya membutuhkan waktu 31,6 menit untuk mengisi daya hingga 80% pada laju 1 C, dan penurunan kapasitas hanya 0,000495 mA h g-1 per siklus (retensi kapasitas 86,9%) selama 20.000 siklus pada 20 C. Baterai penuh berdasarkan anoda karbon keras mempertahankan retensi kapasitas 95,5% setelah 200 siklus pada 1 C. Studi ini mengungkap mekanisme sinergis antara efek polarisasi ion dan cacat kisi, dan memberikan strategi baru untuk merancang bahan katoda SIB dengan kemampuan pengisian/pengosongan cepat dan masa pakai yang sangat panjang.