新型鈉離子電池聚陰離子型磷酸鹽正極材料的開發研究

　　鈉離子電池因其原料豐富、價格低廉，且與鋰離子電池技術高度兼容等優點，成為下一代大規模儲能系統最有潛力的電池技術之一。近日，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與四川大學磷基功能材料與新能源實驗室、中科院物理研究所清潔能源團隊合作，在鈉離子電池聚陰離子磷酸鹽正極的組成設計和性能優化方面取得進展，開發出具備長循環穩定性、高能量密度和低原料成本的富鈉-低釩新型磷酸鹽正極材料，對鈉離子電池規模化應用具有重要意義。相關研究成果發表在ACS Energy Letters上。

　　隨著智能手機、電動車和電動工具等電子商品的普及，鉛酸電池、鋰離子電池和鈉離子電池等二次電池技術受到關注。受鋰資源儲量和地域分布的限制，鋰基化學制品價格上漲，無法滿足日益增長的儲能需求。近年來，鈉離子電池因其資源成本低及安全環保等優點，在大規模儲能領域應用前景廣闊。

　　趙君梅團隊致力于聚陰離子型磷酸鹽化合物研究。部分磷酸鹽產品已實現公斤級放大，集成的商業級26650圓柱電池證實了其高功率和長循環特性。為進一步降低成本，科研團隊開發了三元磷酸鹽正極——Na4VFe0.5Mn0.5(PO4)3（Adv. Energy Mater. 2021, 2100729）。在此前成果的基礎上，研究團隊研發出系列富鈉-低釩的磷酸鹽正極材料磷酸鋁錳釩鈉Na4.0V0.8Al0.2Mn1.0(PO4)3和Na4.2V0.6Al0.2Mn1.2(PO4)3。由于鋁替代了其中的釩，這些含鋁材料的原材料成本降低，如磷酸鋁錳釩鈉（Na4.0）的成本，較磷酸釩鈉（Na3V2）和磷酸錳釩鈉（Na3VMn）分別下降了44%和10%左右。此外，理論計算結果表明，引入鋁后形成了較強的離子-共價鍵，可以有效抑制材料中由于錳存在引起的姜泰勒結構扭曲，即使在高度充電狀態下，材料仍展示出對稱的正八面體結構。DFT計算表明，鋁摻雜的材料相比于未摻雜的磷酸錳釩鈉，具有更寬的三維離子擴散通道，Na+擴散勢壘明顯降低，展示了優異的動力學性能。因此，含鋁的磷酸錳釩鈉的倍率和長循環性能得以顯著提升。如在40 C的高倍率下，磷酸鋁錳釩鈉（Na4.0）正極可獲得84 mA h g-1的可逆容量，而磷酸錳釩鈉的容量僅有62 mA h g-1；在5 C下循環1000周后，磷酸鋁錳釩鈉（Na4.0）可實現超過92%的容量保持率，達到磷酸錳釩鈉容量保持率的近2倍。由于錳在材料中的比重較大，材料的電壓平臺高，具備了較高的能量密度。如磷酸鋁錳釩鈉（Na4.0）和磷酸鋁錳釩鈉（Na4.2）的全電池能量密度可分別達到232Wh kg-1和224 Wh kg-1，優于以往文獻報道中的多數聚陰離子正極的全電池數據。

　　研究工作得到內蒙古自治區科技計劃項目、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、中科院潔凈能源創新院合作基金項目及中科院綠色過程制造創新研究院的支持。

　　論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c02107

富鈉-低釩磷酸鹽正極材料抑制姜泰勒效應機理與性價比比較