近日，深圳大学孙刚助理教授与哈尔滨工业大学王振波教授领衔的研究团队，在钠离子电池正极材料动力学调控与极端环境应用研究方向取得突破性进展。相关研究成果成功发表于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》。该论文题目为“Defying the Kinetics Limitations of Na3V2(PO4)2F3 Cathode by a Tailored Sol-Gel Thermal Protocol: Toward Ultra-Stable Sodium Storage at High Rates and Subzero Temperatures”。深圳大学硕士生郭健鸿为第一作者，深圳大学孙刚助理教授、哈尔滨工业大学王振波教授为论文通讯作者。深圳大学为第一通讯单位。与此同时，该系列核心研究成果已成功获得国家发明专利授权，专利名称为名称为一种碳包覆Na3V2(PO4)2F3钠离子电池正极材料的制备方法，专利号为CN 119725474 B，为相关技术的产业化转化、知识产权保护奠定了坚实基础。
钠离子电池凭借丰富的钠资源和显著的成本优势，在储能领域备受瞩目。其中，氟磷酸钒钠（NVPF）因其约3.9 V的高工作电压和极其稳定的三维框架，被视为极具潜力的正极材料。但由于其聚阴离子骨架导致材料本征电子电导率低，同时受钠离子扩散动力学迟缓影响，严重制约了其倍率性能的发挥和在极端低温下的实际应用。目前通过常规等温溶胶-凝胶法制备该材料时，难以兼顾初级颗粒的细化、碳包覆的均匀性以及晶格活性位点的优化。
成果基于对溶胶-凝胶温度的系统性研究，提出了一种“先高温后低温”的两步变温溶胶-凝胶合成新策略。研究表明，前期较高温度（90 ℃）能促进前驱体的充分溶解与初始络合，加速均匀前驱体颗粒的形成，随后降低温度（80 ℃）则有效调控了缩聚速率，引导凝胶网络有序组装并抑制钒离子水解。该策略不仅显著细化了初级颗粒并促使其规则组装成均匀的二次球形貌，大幅缩短了Na+的传输距离，同时还构筑了约 5 nm 厚且致密均匀的无定形碳包覆层，显著提升了 Na(2) 位点的钠离子占据率，从而从本征上激活了反应动力学。所得优化的正极材料展现出了卓越的高倍率性能和宽温域性能。在1C倍率下，其可逆比容量达124.5 mAh g-1，即便在30C的超高倍率下，仍能释放出103.6 mAh g-1的高可逆容量。在-30 ℃的极寒测试中，该材料在0.1C下初始比容量达100.1 mAh g-1，且在0.2C下稳定循环780圈后，容量保持率依然高达93.0%。此外，将该材料与商业硬碳匹配组装成的全电池，在10C倍率下依然能够输出103.0 mAh g-1的比容量，展现出极高的实际商业化应用潜力。该项研究从合成热力学与动力学平衡的角度出发，通过精准的温度控制，成功实现了NVPF微观形貌、碳层连续性与晶格内高活性Na(2)位点的三重协同优化。该研究不仅有效解决了聚阴离子型材料高活性与长稳定性难以兼得的共性难题，也为开发适用于全气候、高功率场景的先进钠离子电池正极材料提供了全新的设计思路与理论指导。
图1.（a）通过变温溶胶-凝胶策略合成途径的示意图;（b）23Na的ssNMR光谱;（c）NVPF-75的SEM图像;（d）NVPF-9080的SEM图像;（e）25 ℃下从1C到30C的倍率性能对比图;（f）NVPF-9080阴极在50 ℃
项目支持:
相关工作得到了国家自然科学基金委员会，深圳市高水平团队项目，深圳市科技计划项目，广东省基础与应用基础研究基金，山东省重点研发计划，黑龙江头雁团队项目，中央高校基本科研业务费等项目的资助
论文链接: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76147
科研动态