復(fù)合磷酸焦磷酸亞鐵鈉因其成本低、循環(huán)性能優(yōu)異被視為一種頗具應(yīng)用潛力的鈉離子電池正極材料。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所綠色化工研究部研究員趙君梅團(tuán)隊(duì)通過(guò)激發(fā)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(xué)活性；Na2FeP2O7具有三維離子通道，但理論容量低，且因電位低導(dǎo)致在空氣中不穩(wěn)定；NFPP-4.0理論容量達(dá)130 mAh/g，電壓近3.1V，空氣中穩(wěn)定，近年來(lái)被廣泛研究。然而，由于結(jié)構(gòu)缺陷，其實(shí)際容量低于其理論容量，因此如何進(jìn)一步提升NFPP-4.0的實(shí)際容量成為焦點(diǎn)。

 

研究發(fā)現(xiàn)，在制備NFPP-4.0時(shí)，添加一定量的NFP，可有效激發(fā)惰性的NFP。優(yōu)化后的新型NFPP-4.0為Na4.5Fe3.5(PO4)2.5P2O7（NFPP-4.5），即NFP/ NFPP-4.0為0.5: 1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NFPP-4.5的可逆容量達(dá)130 mAh/g，能量密度達(dá)400 Wh/kg。X-ray射線衍射證實(shí)NFPP-4.5由NFPP-4.0和NFP兩相共生，其中NFP納米晶連續(xù)分布在NFPP-4.0晶域相中并被NFPP-4.0包裹，大量的過(guò)渡晶界區(qū)域有利于鈉離子交叉?zhèn)鬏�，從而有效地激活了惰性NFP的電化學(xué)活性。研究發(fā)現(xiàn)，充放電過(guò)程中NFP在首圈充電過(guò)程中發(fā)生了非晶化的過(guò)程，之后在非晶態(tài)下循環(huán)，證實(shí)了NFP激活是導(dǎo)致NFPP-4.5高容量的關(guān)鍵。研究人員對(duì)這一材料進(jìn)行了公斤級(jí)放大，組裝的軟包電池獲得了優(yōu)異的快充性能和循環(huán)性能。相對(duì)于0.1C，即使在5C快充條件下，軟包電池仍然可以獲得超過(guò)80%的可逆容量。在3C下循環(huán)2000次，容量保持率超過(guò)88%，具有應(yīng)用前景。

 

3月28日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目等的支持。　　

新型復(fù)合材料NFPP-4.5中NFP和NFPP-4.0共生形成過(guò)渡晶界NFP被激活示意圖