過程工程所鈉離子電池正極材料鐵基磷酸鹽研究獲進展

復合磷酸焦磷酸亞鐵鈉因其成本低、循環性能優異被視為一種頗具應用潛力的鈉離子電池正極材料。中國科學院過程工程研究所綠色化工研究部研究員趙君梅團隊通過激發惰性磷酸鐵鈉提升了鐵基磷酸焦磷酸鹽正極材料的可逆容量和能量密度。

磷酸亞鐵鈉（NaFePO₄，NFP）、焦磷酸亞鐵鈉（Na₂FeP₂O₇）和磷酸焦磷酸鐵鈉【Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇，NFPP-4.0】是鈉離子電池常用鐵基磷酸鹽正極。然而，NaFePO₄由于缺乏有效離子通道不具有電化學活性；Na₂FeP₂O₇具有三維離子通道，但理論容量低，且因電位低導致在空氣中不穩定；NFPP-4.0理論容量達130 mAh/g，電壓近3.1V，空氣中穩定，近年來被廣泛研究。然而，由于結構缺陷，其實際容量低于其理論容量，因此如何進一步提升NFPP-4.0的實際容量成為焦點。

研究發現，在制備NFPP-4.0時，添加一定量的NFP，可有效激發惰性的NFP。優化后的新型NFPP-4.0為Na_4.5Fe_3.5(PO₄)_2.5P₂O₇（NFPP-4.5），即NFP/ NFPP-4.0為0.5: 1。實驗結果表明，NFPP-4.5的可逆容量達130 mAh/g，能量密度達400 Wh/kg。X-ray射線衍射證實NFPP-4.5由NFPP-4.0和NFP兩相共生，其中NFP納米晶連續分布在NFPP-4.0晶域相中并被NFPP-4.0包裹，大量的過渡晶界區域有利于鈉離子交叉傳輸，從而有效地激活了惰性NFP的電化學活性。研究發現，充放電過程中NFP在首圈充電過程中發生了非晶化的過程，之后在非晶態下循環，證實了NFP激活是導致NFPP-4.5高容量的關鍵。研究人員對這一材料進行了公斤級放大，組裝的軟包電池獲得了優異的快充性能和循環性能。相對于0.1C，即使在5C快充條件下，軟包電池仍然可以獲得超過80%的可逆容量。在3C下循環2000次，容量保持率超過88%，具有應用前景。

3月28日，相關研究成果發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、北京自然科學基金、內蒙古自治區科學技術廳項目等的支持。　　

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新型復合材料NFPP-4.5中NFP和NFPP-4.0共生形成過渡晶界NFP被激活示意圖?