钠离子电池高电压正极材料低能耗规模化制备取得重要进展

    近日，在中国科学院过程工程研究所绿色化工研究部和中国科学院物理研究所清洁能源团队多年来持续不断的合作及共同努力下，钠离子电池用聚阴离子型高电压正极材料的低能耗规模化制备取得了重要进展。

    我们知道，可充电电池广泛用于生活中的诸多方面。使用广泛的锂离子电池由于锂资源价格昂贵以及地质储量有限等因素可能不能满足大规模储能的需求。而钠离子电池由于钠资源储量丰富且价格低廉越来越引起人们的广泛关注，并有可能在大规模储能领域获得应用。聚阴离子型化合物氟磷酸钒钠Na₃(VO_1-xPO₄)₂F_1+2x (0 ≤ x ≤ 1)（NVPFs）作为钠离子电池的正极材料，具有高达480 Wh/kg的能量密度。如果NVPFs能够工业化应用，其全电池的能量密度可以和锂离子电池媲美。

    以赵君梅副研究员领导的小组长期以来一直攻关氟磷酸钒钠的低能耗绿色合成方法。最近，在针对NVPFs进行了一系列水热/溶剂热合成方法系统研究之后，她们进一步提出以萃取分离为前提直接制备功能材料，即萃取分离制备一体化的概念，并以Na₃(VOPO₄)₂F（NVPOF）为例，开发了一步便利的室温可控制备技术，阐述了这一概念的具体应用。NVPFs自1999年由法国科学家J.-M. Le Meins首次报道以来，一直沿用的是高温固相的合成方法，而高能耗势必增加该材料的成本，这将限制该材料的广泛应用。据报道，法国著名科学家Jean-Marie Tarascon教授已经将氟磷酸钒钠用于做成圆柱形18650钠离子电池，然而仅限于实验室。而我们开发的基于萃取分离的室温一步可控制备技术大大地降低了正极材料的生产成本。特别有意思的是，通过巧妙设计，获得的NVPOF是一种具有多壳层微观结构的微球，其形成机理主要是基于原位生成的气泡作为软模板，并且溶液中共沉淀产生的纳米颗粒与气泡表面发生层层自组装的结果。所合成的NVPOF微球，在没有任何额外的高温烧结、纳米化以及碳包覆处理的条件下，展现了优越的倍率性能和突出的循环性能。可以说有关氟磷酸钒钠的实验室研究目前已达到国际领先水平。

    这一研究成果必定会加速氟磷酸钒钠的工业化进程。

    这是首次报道室温一步可控合成一种聚阴离子化合物，也是对正极材料的常规高温固相法以及水热合成法的挑战。而有关原位气泡软模板策略相对于常规的硬模板以及表面活性剂模板也极具新颖性，可以被拓展到其它多壳微观结构的合成中。

    同时这一研究成果标志着萃取分离和功能材料制备一体化技术的初步实现，这可以显著降低正极材料的制备成本。这一技术可以进一步拓展到废旧二次电池正极材料的循环利用以及其它相似电极材料的室温规模化制备中。

这一成果发表于Cell出版社能源旗舰期刊Joule。

文章链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30338-6。

题目：Scalable Room-Temperature Synthesis of Multi-shelled Na₃(VOPO₄)₂F Microsphere Cathodes, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.07.027

此项工作得到了国家重点技术研究发展计划（2016YFB0901500）、国家自然科学基金项目（51672275，51421002）、北京市自然科学基金（2182074）以及美国能源部项目(DE-AC02-06CH11357)的支持。

图1 萃取-分离-制备一体化示意图（NVPOF为例）