科学家成功提升钠离子电池可逆容量和能量密度

复合磷酸焦磷酸亚铁钠因其成本低、循环性能优异被视为一种极具应用潜力的钠离子电池正极材料。中国科学院过程工程所绿色化工研究部赵君梅研究员团队通过激发惰性磷酸铁钠提升了铁基磷酸焦磷酸盐正极材料的可逆容量和能量密度。相关研究成果于3月28日发表在Journal of the American Chemical Society上（DOI：10.1021/jacs.3c14452）。

磷酸亚铁钠(NaFePO₄，NFP)、焦磷酸亚铁钠(Na₂FeP₂O₇)和磷酸焦磷酸铁钠（Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇，NFPP-4.0）是钠离子电池常用铁基磷酸盐正极。然而，NaFePO₄由于缺乏有效离子通道不具有电化学活性；Na₂FeP₂O₇具有三维离子通道，但理论容量低，且因电位低导致在空气中不稳定；磷酸焦磷酸铁钠NFPP-4.0理论容量高达130 mAh/g，电压近3.1V，空气中稳定，近年来被广泛研究，甚至走在了产业化的前列。然而，由于结构缺陷，其实际容量（110~120 mAh/g）低于其理论容量，因此如何进一步提升NFPP-4.0的实际容量成为人们关注的焦点及要破解的难题。

研究发现，在制备NFPP-4.0时，添加一定量的NFP，可有效激发惰性的NFP。优化后的新型磷酸焦磷酸铁钠为Na_4.5Fe_3.5(PO₄)_2.5P₂O₇（NFPP-4.5），即NFP/ NFPP-4.0为0.5: 1。实验结果表明，NFPP-4.5的可逆容量高达130 mAh/g，能量密度达到400 Wh/kg。X-ray射线衍射（XRD）证实NFPP-4.5由NFPP-4.0和NFP两相共生，其中NFP纳米晶连续分布在NFPP-4.0晶域相中并被NFPP-4.0包裹，大量的过渡晶界区域有利于钠离子交叉传输，从而有效地激活了惰性NFP的电化学活性。充放电过程中，发现NFP在首圈充电过程中发生了非晶化的过程，之后在非晶态下循环，充分证实了NFP激活是导致NFPP-4.5高容量的关键。随后，研究人员对这一材料进行了公斤级放大，组装的软包电池获得了优异的快充性能和循环性能。相对于0.1C，即使在5C的快充条件下（12min），软包电池仍然可以获得超过80%的可逆容量。在3C下循环2000次，容量保持率超过88%，展示了巨大的应用前景。

该工作得到了北京自然科学基金（2222078）、国家自然科学基金（52072370, 22309203, 51672069, 22138012）、内蒙古科技厅项目（2021GG0162），中国博士后科学基金（2023M733718）等的支持。

图 新型复合材料NFPP-4.5中NFP和NFPP-4.0共生形成过渡晶界NFP被激活示意图