近期，中科院合肥研究院固體所功能材料物理與器件研究部趙邦傳研究員課題組在聚陰離子型材料Na3V2(PO4)3鈉電性能研究方面取得新進展。科研人員通過結晶度調控，有效激活了Na3V2(PO4)3中的非活性M1位點，實現三個鈉離子的可逆脫嵌，極大提升了材料的比容量。相關結果發表在國際期刊 Advanced Science 上。
近年來，隨著鋰離子電池在人們生產生活多個領域廣泛應用，鋰資源的價格不斷攀升，這嚴重限制了其進一步的發展。和鋰離子電池相比，鈉離子電池具有很大的資源和成本優勢，是未來儲能電池最為重要的發展方向。發展高性能電極材料，提升鈉離子電池的能量密度、功率密度及循環壽命，是實現鈉離子電池實際應用的關鍵。
作為一種主流的鈉離子電池正極材料，聚陰離子型鈉超離子導體Na3V2(PO4)3具有穩定開放的三維離子通道，且陰離子單元間存在強共價鍵作用，有著非常優異的循環穩定性和安全性。但Na3V2(PO4)3也存在一些亟待解決的問題，如電子電導率不高、倍率性能和比容量不太理想等，特別是其結構中的1/3儲鈉位點（M1位點）沒有活性，只有兩個鈉離子可以參與電化學反應，導致其理論比容量較低，僅為 117.6 mAh g-1。能否激活這1/3儲鈉位點，通過增加可參與電化學反應的鈉離子數目來提高 Na3V2(PO4)3的比容量是當前該領域研究的一個巨大挑戰。
基于此，科研人員通過調控材料結晶度的方案來對Na3V2(PO4)3材料進行改性研究，利用靜電噴霧沉積法在泡沫碳襯底上制備了一種納米晶和無定形相共存的Na3V2(PO4)3材料。研究結果表明，這種納米晶和無定形相共存的無序結構可以有效激活M1位點的鈉離子，使V5+/V4+氧化還原對參與到電化學反應過程中，在Na3V2(PO4)3 中實現三個鈉離子的可逆嵌入脫出，極大提升了材料的比容量。在 0.2 C 的電流密度下，所獲材料的比容量可達179.6 mAh g-1，比通常Na3V2(PO4)3材料提升了近50%。同時，該材料在0.2 C倍率下循環 200 圈，容量保持率高達 99.6%，兼顧了大容量與穩定循環的優點。此外，在這種納米晶和無定形相共存的Na3V2(PO4)3材料中，研究人員還觀察到一種較為奇特的非本征贗電容現象，表現為充放電曲線中平臺的消失和CV曲線的矩形化，這主要是由于無序結構的引入改變了Na3V2(PO4)3材料中鈉離子之間的相互作用，使得充放電過程由原本的兩相轉變變為單相轉變。
上述工作得到了國家重點研發計劃項目和中國科學院合肥大科學中心“高端用戶培育基金”項目的支持。
圖1. 無序結構Na3V2(PO4)3材料的形貌和結構表征。
圖2. 無序結構Na3V2(PO4)3材料的電化學性能表征與分析。
圖3. 無序結構Na3V2(PO4)3材料非本征贗電容行為分析。
