過程工程所等開發出“一步機械化學法”制備鈉電池正極材料

　　【儀表網 儀表研發】儲能技術是可再生能源發電并網和智能電網應用普及的核心技術，也是實現我國碳中和及碳達峰目標的關鍵技術之一，尤以電化學儲能為突出形式。近日，中國科學院過程工程研究所和中科院物理研究所清潔能源團隊合作，在鈉電池正極材料的規模化制備研究中取得進展，開發出“一步機械化學法”快速制備鈉電池聚陰離子正極材料氟磷酸釩鈉。這一制備策略可提高該材料的生產效率，也是對室溫共沉淀法制備這一化合物的進一步開拓。
 

　　二次電池是新一輪能源變革的焦點。全民普及的鋰離子電池受鋰資源成本和儲量分布的限制，恐難以滿足未來規模儲能的需求。鈉離子電池兼具原材料資源豐富、成本低、安全性高等優勢，成為鋰離子電池的補充，有望在大規模儲能領域大展拳腳。聚陰離子型化合物氟磷酸釩鈉Na3(VO1-xPO4)2F1+2x(0≤x≤1)(NVPFs)作為鈉離子電池儲能正極材料，具有高達480 Wh/kg的能量密度，可與目前常用的鋰電池中的磷酸鐵鋰比肩。若能夠規模化應用，可在規模儲能和動力電池市場中占據一席之地。
 

　　自1999年法國科學家J.-M. Le Meins發現以來，氟磷酸釩鈉的合成一直采用高溫固相法，高能耗帶來的高昂成本及欠充分發揮的電化學性能限制了該類材料的產業化應用。過程工程所研究員趙君梅團隊長期致力于NVPFs的低成本綠色合成及性能提升研究，近年來獲得了多項技術和研究成果。團隊以降低能耗和形貌調控為出發點，采用水熱/溶劑熱合成氟磷酸釩鈉，對材料的充放電機理進行了系統研究；在此基礎上，開發出一步室溫可控制備多殼層氟磷酸釩鈉微球技術(Joule 2018, 2(11): 2348-2363)，在降低該材料生產能耗的同時提升了其性能。然而，液相反應會受到原料/產物溶解度、pH等多參數調控的限制。基于此，團隊開發出無溶劑的機械化學法以快速制備含碳NVPFs復合物，因能實現原位碳骨架的構建，界面反應得以強化。該制備方法可將液相法的7天生產時間縮短至30分鐘，產品倍率性能和循環穩定性得到提升，保證了工業應用的生產效率。產品公斤級放大組裝的商業級26650圓柱電池證實了其高功率和長循環特性。相關研究成果發表在Nature Communications上。
 

　　該研究成果進一步推動了氟磷酸釩鈉的商業化應用進程，且機械球磨原位構建碳骨架相對于常規多步驟包碳以及高溫熱解包碳具有明顯優勢，為正極材料倍率和循環性能的提升提供了一種可行性策略。同時，公斤級產品放大實踐表明，機械化學法快速規模制備鈉電池正極材料已成為可能，這會降低鈉離子電池材料的制備成本。
 

　　趙君梅團隊近年來針對聚陰離子型材料進行了深入研究，實現了高溫路線到室溫合成的轉型，主要研究成果包括：Nat. Commun. 2021,12: 2848；Adv. Energy Mater. 2021, 2100729；Joule 2018, 2(11): 2348-2363；Chem. Commun. 2015, 51, 7160-7163；Angew. Chem. Int. Edit. 2015, 54, 9911-9916；J. Mater. Chem. A 2016, 4(19), 7178-7184；Small Methods 2019, 3, 1800111；ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 7474-7482等。
 

　　該研究工作獲得國家重點研究發展計劃、國家自然科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項(A類)、中科院潔凈能源創新院合作基金項目、中科院綠色過程制造創新研究院的支持。