鈉離子電池聚陰離子型正極材料研究取得新進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員李先鋒、張華民、副研究員鄭瓊帶領的研究團隊，在鈉離子電池聚陰離子型正極材料研究方面取得新進展，研究成果在線發表於《美國化學會能源快報》（ACS Energy Letters）上。

鈉離子電池具有資源豐富、低成本、高性價比等優點，在電動自行車、低速電動車、分散式儲能、大規模儲能領域具有很好的應用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，正極材料決定鈉離子電池能量密度。聚陰離子型化合物具有較高電壓、較高理論比容量、結構穩定等優點，成為鈉離子電池正極材料的優選之一。然而，聚陰離子型化合物的電子電導率低，限制了電池的比容量和倍率性能。因此，進一步提高其倍率性能、優化全電池性能，以及進一步降低材料製備成本、實現材料規模化製備，是急需攻破的難題。針對此，該團隊近年來在鈉離子電池聚陰離子型正極材料的結構基元調控、鈉脫嵌機制、碳複合製備、全電池及軟包電池構建等方面展開了系列研究，實現了高性能三氟磷酸釩鈉Na3V2(PO4)2F3（Nano Energy, 2018；J. Mater. Chem. A, 2017）、氟磷酸釩鈉NaVPO4F（J. Mater. Chem. A, 2018）、磷酸釩鈉Na3V2(PO4)3（J. Mater. Chem. A, 2018；J. Mater. Chem. A, 2016）等釩基聚陰離子型化合物的高效合成及應用。

三氟磷酸釩鈉具有由[V2O8F3]雙八面體與[PO4]四面體間隔性的聯結形成的三維網狀結構，有利於Na 的快速嵌入和脫出。其理論能量密度為500Wh/kg，與LiFePO4在鋰離子電池中的能量密度相當（550Wh/kg），近年來備受關注。在前期研究工作基礎上，研究團隊提出了一種低溫溶劑熱-球磨製備方法，實現了高電導性碳包覆氟磷酸釩鈉（Na3V2(PO4)2F3）的綠色經濟合成。研究發現低溫溶劑熱過程中溶劑種類和pH值對Na3V2(PO4)2F3形貌和產物純度起到關鍵作用。在乙醇和水共混溶劑的酸性環境中，晶體具有很高的表面能，可以獲得高純度且高產率的Na3V2(PO4)2F3。與科琴黑（KB）短時間（1h）球磨之後，Na3V2(PO4)2F3表面均勻包覆了一層高度石墨化的KB，有效提高了其離子擴散和電子傳導能力。由Na3V2(PO4)2F3組裝的鈉離子電池在0.5C的電流下具有138mAh/g的高比容量，在40C的大電流下其容量仍能維持122mAh/g。該低溫溶劑熱-球磨方法將為低成本、高性能鈉離子電池技術的實用化提供一種新的策略。

上述研究工作得到中科院戰略性先導科技專項的資助。

來源：中國科學院大連化學物理研究所

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