固体所在聚阴离子型钠离子电池正极材料研究方面取得新进展

近期，中科院合肥研究院固体所功能材料物理与器件研究部赵邦传研究员课题组在聚阴离子型材料Na3V2(PO4)3钠电性能研究方面取得新进展。科研人员通过结晶度调控，有效激活了Na3V2(PO4)3中的非活性M1位点，实现三个钠离子的可逆脱嵌，极大提升了材料的比容量。相关结果以“Crystallinity Tuning of Na3V2(PO4)3: Unlocking Sodium Storage Capacity and Inducing Pseudocapacitance Behavior”为题，发表在国际期刊Advanced Science (Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202203552 )杂志上。

 近年来，随着锂离子电池在人们生产生活多个领域广泛应用，锂资源的价格不断攀升，这严重限制了其进一步的发展。和锂离子电池相比，钠离子电池具有很大的资源和成本优势，是未来储能电池最为重要的发展方向。发展高性能电极材料，提升钠离子电池的能量密度、功率密度及循环寿命，是实现钠离子电池实际应用的关键。

作为一种主流的钠离子电池正极材料，聚阴离子型钠超离子导体Na3V2(PO4)3具有稳定开放的三维离子通道，且阴离子单元间存在强共价键作用，有着非常优异的循环稳定性和安全性。但Na3V2(PO4)3也存在一些亟待解决的问题，如电子电导率不高、倍率性能和比容量不太理想等，特别是其结构中的1/3储钠位点（M1位点）没有活性，只有两个钠离子可以参与电化学反应，导致其理论比容量较低，仅为 117.6 mAh g-1。能否激活这1/3储钠位点，通过增加可参与电化学反应的钠离子数目来提高 Na3V2(PO4)3的比容量是当前该领域研究的一个巨大挑战。

基于此，科研人员通过调控材料结晶度的方案来对Na3V2(PO4)3材料进行改性研究，利用静电喷雾沉积法在泡沫碳衬底上制备了一种纳米晶和无定形相共存的Na3V2(PO4)3材料。研究结果表明，这种纳米晶和无定形相共存的无序结构可以有效激活M1位点的钠离子，使V5+/V4+氧化还原对参与到电化学反应过程中，在Na3V2(PO4)3 中实现三个钠离子的可逆嵌入脱出，极大提升了材料的比容量。在 0.2 C 的电流密度下，所获材料的比容量可达179.6 mAh g-1，比通常Na3V2(PO4)3材料提升了近50%。同时，该材料在0.2 C倍率下循环 200 圈，容量保持率高达 99.6%，兼顾了大容量与稳定循环的优点。此外，在这种纳米晶和无定形相共存的Na3V2(PO4)3材料中，研究人员还观察到一种较为奇特的非本征赝电容现象，表现为充放电曲线中平台的消失和CV曲线的矩形化，这主要是由于无序结构的引入改变了Na3V2(PO4)3材料中钠离子之间的相互作用，使得充放电过程由原本的两相转变变为单相转变。

上述工作得到了国家重点研发计划项目（No. 2017YFA0402800）和中国科学院合肥大科学中心“高端用户培育基金”项目（No. 2021HSC-UE009）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202203552

图1. 无序结构Na3V2(PO4)3材料的形貌和结构表征。

图2. 无序结构Na3V2(PO4)3材料的电化学性能表征与分析。

图3. 无序结构Na3V2(PO4)3材料非本征赝电容行为分析。