Fe3+-substitutional doping of nanostructured single-crystal TiNb2O7 for long-stable cycling of ultra-fast charging anodes
Notice bibliographique
Résumé
Titanium niobate (TiNb 2 O 7 , TNO) has emerged as a promising lithium-ion battery (LIB) anode option for fast charging applications. However, the cycling durability of TNO under extremely fast charging is still limited, and the corresponding structural alteration mechanism remains unclear. This research reports an ultra-fast charging anode with long-term cycling stability enabled by Fe substitution in single-crystal TNO nanostructures. The underlying mechanism via which Fe substitution affects TNO’s electronic properties, ionic diffusion kinetics, and structural stability is revealed through combined theoretical modeling and experimental characterization. The optimal Fe 3+ -doped TNO monocrystalline material (Fe 0.05 Ti 0.95 Nb 2 O 6.975 ) (Fe5-TNO) provides a remarkable charge capacity of 238 mAh/g under a 10 C (6 min charging time only) extreme fast-charging protocol (coupled with 1 C discharge), and a high capacity of 200 mAh/g at 5 C with high cycling retention of 85 % after 1000 cycles. Our calculations suggest that Fe 3+ substitutional doping leads to a lowering of the band gap coupled with a reduction in the Li + diffusion energy barrier. Overall, these factors contribute to reduced capacity decay and extreme fast charging, together promoting durable cycling performance suitable for LIB usage. Reflection electron energy loss spectroscopy (REELS) reveals that Fe 3+ doping narrows the band gap from 3.75 eV of TNO to approximately 3.40 eV for Fe5-TNO; after initial lithiation, both TNO and Fe 3+ -doped TNO are transformed into a higher-conductivity phase, in agreement with density functional theory (DFT) predictions. Meanwhile Fe 3+ doping is shown exhibited to decrease the Li + diffusion energy barrier, boosting the Li + diffusion coefficient by one order of magnitude, from 10 −13 to 10 −12 cm 2 /s. This research provides new insights into the design of next-generation fast-charging LIB anodes via DFT-guided substitutional doping. • Designed an ultra-fast charging and long-cycling TiNb 2 O 7 anode nanostructure via DFT-guided Fe 3+ substitutional doping. • Conducted a synergetic study of crystal structure and redox reaction evolution, ionic diffusion, and electronic conductivity. • Revealed the underlying mechanism through state-of-the-art theoretical modeling and nanostructure characterization.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».