我院教师团队在先进钠离子电池关键材料方面取得系列研究进展-东北师范大学物理学院

科研进展

我院教师团队在先进钠离子电池关键材料方面取得系列研究进展

时间：2025-10-30 点击数：

我院吴兴隆教授团队围绕钠离子电池的正极材料结构调控与电解液设计开展研究工作，提升了磷酸盐正极材料的高电压反应可逆性、拓宽了钠离子的工作温度区间，研究成果陆续发表于Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Materials Science & Engineering R: Reports、ACS Nano和Materials Today等学科顶级期刊上。

在正极材料设计方面，针对NASICON型高电压锰钒基磷酸盐，Mn–V耦合氧化还原易引发晶格畸变与不可逆容量损失的问题，团队提出“电子云拓扑驱动的静电场解耦”策略，通过Ti⁴⁺取代部分V，调节TM–O键电子云密度，有效地拉开Mn与V离子的氧化还原能级差，抑制寄生反应，成功激活并稳定了高压可逆性。进一步地，针对Na₄FeV(PO₄)₃正极在高电压区间V⁴⁺/V⁵⁺氧化还原电对不可逆的问题，团队提出“电荷重组”策略，在Fe位引入富电子Ti，制备了Na₃.₆₇Fe₀.₆₇VTi₀.₃₃(PO₄)₃，优化V–O键电荷分布，提升载流子迁移率，成功实现了V⁴⁺/V⁵⁺氧化还原电对的循环可逆性，显著提升了磷酸盐正极的能量密度，相关成果分别以“Electronic Cloud Topology-Driven Electrostatic Decoupling: To Suppress High-Voltage Parasitic Reactions of Phosphate Cathode in Sodium-on Batteries”和“Charge reconfiguration for breaking the V4+/V5+ redox barrier in sodium-based NASICON cathode with higher energy density”为题，发表于国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（第一作者为博士生张恒和王晓彤，共同通讯作者为博士后谷振一）和Materials Today（第一作者为硕士生张新茹，共同通讯作者为博士后谷振一）。

图1 磷酸盐正极材料的高电压容量衰减机制与提升新策略

针对多过渡金属取代的高熵晶格磷酸盐正极材料制备难的问题，团队开发了超快速高温热冲击技术，在800°C下仅用20秒，实现了均匀单相结构Na3.45V0.4Fe0.4Ti0.4Mn0.45Cr0.35(PO4)3正极材料的超快制备。所开发的高熵正极具有优异的宽温区适应性，可在-50℃至60℃范围内实现优异的钠离子存储。在层状氧化物中利用高熵掺杂设计制备了具有适度六配位八面体半径和稳定金属-氧键的P2/O3型高熵材料。基于电势的原位电化学阻抗谱测量和相应的弛豫时间分布证明了多种元素组合的效果，原位XRD结果揭示了高熵材料P2/O3 双相夹持反应机制。相关成果分别以“Ultrafast Preparation of High-Entropy NASICON Cathode Enables Stabilized Multielectron Redox and Wide-Temperature (−50–60℃) Workability in Sodium-Ion Batteries”和“Multifunctional and Radii-Matched High-Entropy Engineering Toward Locally-Regulable Metal Oxide Layers in Sodium-Layered Oxide Cathode”为题，发表于国际顶级期刊Advanced Materials（第一作者为博士生杜苗，共同通讯作者为副教授郭晋芝）和Angewandte Chemie International Edition（第一作者为博士生黄志雄）。

图2 钠电宽温域高熵磷酸盐正极材料的超快制备

针对适合商品化应用的低成本型磷酸盐正极Na4Fe3(PO4)2P2O7，在制备过程中极易产生电化学惰性的NaFePO4而严重拖累材料的整体电化学性能。团队通过精细地调控制备过程中的Na/Fe比例，成功将惰性NaFePO4相完全转化为电化学活性的Na4Fe3(PO4)2P2O7和Na2FeP2O7，并形成NFPP/NFPO异质结构，进一步促进了电荷的迁移，展现出超高的充放电倍率性能，18秒即可完成充放电，以及优异的循环稳定性，循环10000圈的容量保持率达71.4%。相关成果以“Heterogeneous-Interface-Induced Charge Redistribution Toward Fe-Based Polyanion Cathode for Advanced Sodium-Ion Batteries”为题，发表于国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society。论文第一作者为硕士生郝则霖，共同通讯作者为副教授郭晋芝。

图3 相调控异质结构实现的超快充放电

可持续性是先进储能的主要障碍。在此，团队提出了基于生物质的隔膜材料，工程化羟基磷灰石分子掺入溶剂友好型基团，以建立增强的离子传输通道。由此产生的 CF@HAP 隔膜诱导电解质有序分解，优化电极/电解质界面层并防止枝晶生长，从而实现持久的循环性能。深入研究并阐明了其复杂的界面化学、阻燃性和热控制机制，从而在温度调节过程中实现了“热闭孔”行为。此外，CF@HAP隔膜可在土壤中30天自然完全降解。该成果以“Nature-Inspired Separator with Thermal Sealing Reinforcement toward Sustainable Sodium-Ion Batteries”为题，发表在国际顶级期刊ACS Nano上，论文第一作者为博士生杨佳霖，共同通讯作者为副教授郭晋芝。

图4 热封闭空隙、可降解的纤维素基隔膜

围绕未来钠离子电池产业应用急需的宽温域优异性能的工作特性，聚焦高性能电解液的开发，团队设计了环状亚硫酸盐基电解质，调控离子-偶极作用并优化溶剂化结构，实现了钠离子电池在-60至60℃宽温区内的稳定运行，以Na₃V₂(PO₄)₂O₂F为正极的钠离子电池体系在-50℃低温下的充放电容量仍为58 mAh/g。同时，开发弱溶剂化氟化电解液体系，打破阴离子溶剂化障碍，形成富含无机物的电极-电解液界面，使得高压磷酸盐正极在4.95 V截止电压下循环1600次后的容量保持率为84.4%，并有效地抑制了负极枝晶的生长。相关成果分别以“Sulfite-Based Electrolyte Chemistry with Ion−Dipole Interactions and Robust Interphase Achieves Wide-Temperature Sodium-Ion Batteries”和“Breaking Anionic Solvation Barrier for Safe and Durable Potassium-ion Batteries Under Ultrahigh-Voltage Operation”为题，分别发表于国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society（第一作者为博士生梁皓杰和硕士生钱闻宇）和Angewandte Chemie International Edition（第一作者为博士生衡永丽）。

图5 宽温域电解液的溶剂化结构与高压界面稳定性设计

由于团队在磷酸盐等聚阴离子正极材料领域的系统性研究成果，受邀为Materials Science & Engineering R: Reports期刊撰写了综述论文，系统梳理了聚阴离子正极材料的分类体系，剖析其作为钠宿主材料的内在优势与挑战；针对本征电子电导率和能量密度限制，阐述了晶格掺杂、表面包覆及纳米工程等改性策略；基于理论计算揭示了钠离子在聚阴离子化合物中的存储与传输机制，为材料设计提供理论指导；开展应用场景适配性评估，重点论证其在固定式储能与低速电动车领域的适用性；最后指明聚阴离子正极面临的关键技术壁垒与未来发展方向。通过多维度对比研究，旨在为推动高性价比钠离子电池技术范式发展提供了切实可行的路线指引。综述的题目为Polyanionic cathodes for sodium-ion batteries: Materials, working mechanism, and applications，共同第一作者为博士后谷振一、博士生王晓彤、衡永丽和刘燕。

课题组针对钠离子电池磷酸盐正极、隔膜和电解液的系统性研究工作，从电子结构调控、晶格设计和界面优化等多个维度拓宽了钠离子电池的性能边界，为发展高性能、高安全、全气候适用的下一代储能系统提供了重要理论与实践基础。

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