吉林大學杜菲團隊：一種高能量、高功率鈉電池正極材料

研究團隊 | 作者

酥魚 | 編輯

近日，吉林大學杜菲教授課題組開發設計了一種低成本的新型雜化磷酸鹽鈉電池正極材料，并將這種材料用于構筑高能量、高功率鈉離子電池。該研究成果發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie）上。果殼編輯團隊第一時間聯系了研究團隊，文章通訊作者杜菲教授告訴果殼：“我們近期開發了新型雜化磷酸鹽鈉電池正極材料，這種設計理念可以實現磷酸鹽類正極材料的性能提高，也是該類材料開發的新思路?！?/p>

作為一種低成本的新型鈉電池正極材料，雜化磷酸鹽材料（分子式為Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇）由于優異的晶體結構穩定性和電化學性能受到學術界、產業界廣泛關注。然而，其在合成過程始終存在m-NaFePO₄雜相，制約了材料性能的充分發揮。此外，該材料結構演化機制與充放電曲線特征相悖，相關相變機制仍不清楚。

在傳統鋰電池領域，富鋰正極材料的化學式有兩種形式，單相固溶體形式Li[NixLi_(1?2x)/3Mn_(2?x)/3]O₂，以及兩相形式xLi₂MnO₃·(1?x)LiMO₂。研究團隊猜想，既然按照正?；瘜W計量比合成的材料無法避免NaFePO₄雜相的生成，那么是不是可以將雜化磷酸鹽鈉電材料Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇看作兩相形式2NaFePO₄·Na₂FeP₂O₇？如果在合成過程中減少NaFePO₄的比例，會不會消除雜相呢？

基于上述想法，研究團隊通過控制NaFePO₄含量，得到了不同比例的(2-x)NaFePO₄·Na₂FeP₂O₇材料。研究發現，純相材料比例區間為1.1-1.4。當比例由2減少至1.4時，得到新型純相材料Na_3.4Fe_2.4PP，而繼續減少至1.1，則出現Na₂FeP₂O₇雜相。由于非活性雜相的消除，該鈉電正極材料展現出優異的電化學性能，不僅能實現超高倍率性能（100 C），而且實現了14000次的超長循環壽命。

本研究還揭示了不同于先前報道的兩相轉變，材料在充放電前后晶格參數和晶胞體積之間差值小于1％，表明了其高度可逆性與結構穩定性。

此外，通過原位XANES以及非原位NMR分析，文章系統討論了Na_3.4Fe_2.4PP的電荷補償機制與Na⁺脫嵌順序，為Fe基雜化磷酸鹽材料的合成和未來應用提供了寶貴的見解與新認知。

同時，研究團隊驚喜地發現，該策略同樣適用于Co基雜化磷酸鹽材料(2-x)NaCoPO₄·Na₂CoP₂O₇，其純相材料比例區間為1.3-1.6。目前，團隊正在深入探索該策略在其它材料體系的可行性。

這種分子結構設計方法能夠拓寬現有電極材料研究思路，為新型高能量密度電池提供新的解決方案。目前，鈉離子電池的產業化尚處在初始階段，還需要完善優化各個方面。此外，相關的厚電極膜設計和正極材料設計是獨立的，可以應用于新的材料及電池體系。若要走上產業化道路，如何保證材料合成工藝的穩定性，以及設計適用于不同場景的厚電極膜是接下來需要解決的問題。