中科院团队突破钠离子电池技术瓶颈，实现性能大幅提升

中科院团队突破钠离子电池技术瓶颈，实现性能大幅提升

中国科学院过程工程研究所赵君梅团队在钠离子电池正极材料研究方面取得重大突破，通过激发惰性磷酸铁钠，成功提升了铁基磷酸焦磷酸盐正极材料的可逆容量和能量密度。这一研究成果发表在国际权威期刊《美国化学会志》上，为钠离子电池的未来发展开辟了新的路径。

研究团队聚焦于复合磷酸焦磷酸亚铁钠材料，这种材料因其成本低、循环性能优异而被视为钠离子电池正极材料的有力候选。然而，传统材料如磷酸亚铁钠（NaFePO4，NFP）缺乏有效离子通道而不具备电化学活性，焦磷酸亚铁钠（Na2FeP2O7）则因理论容量低且在空气中不稳定而受到限制。即便是理论容量高达130 mAh/g的磷酸焦磷酸铁钠（Na4Fe3(PO4)2P2O7，NFPP-4.0），也因结构缺陷导致实际容量无法充分发挥。

研究团队发现，在制备NFPP-4.0时，通过添加一定量的NFP，可以有效激发原本惰性的NFP。经过优化，得到了新型复合材料Na4.5Fe3.5(PO4)2.5P2O7（NFPP-4.5），其NFP与NFPP-4.0的比例为0.5:1。这种新型材料展现出显著的性能提升：

• 可逆容量达到130 mAh/g
• 能量密度达到400 Wh/kg
• 在5C快充条件下（即12分钟充满），仍能保持超过80%的可逆容量
• 在3C倍率下循环2000次后，容量保持率超过88%

X射线衍射分析显示，NFPP-4.5由NFPP-4.0和NFP两相共生组成，其中NFP纳米晶连续分布在NFPP-4.0晶域中并被其包裹。这种独特的结构形成了大量有利于钠离子传输的过渡晶界，从而激活了NFP的电化学活性。进一步研究发现，NFP在首圈充电过程中发生非晶化，这一过程是实现高容量的关键。

钠离子电池由于其资源丰富、成本低廉、低温性能优异等特点，在多个领域展现出广阔的应用前景。

大规模储能系统

随着可再生能源的快速发展，储能系统的需求日益增长。钠离子电池的低成本和高安全性使其成为电网储能的理想选择。此次研究突破将进一步提升钠离子电池的能量密度和循环寿命，增强其在储能市场的竞争力。

低速交通工具

在电动自行车、低速电动车等应用中，钠离子电池的低成本和快充性能优势明显。新型正极材料的开发将有助于提升这些交通工具的续航里程和使用寿命。

特殊环境应用

钠离子电池在极端温度条件下的稳定性能使其适用于特殊环境下的储能需求，如高寒地区或工业低温环境。

尽管锂离子电池在能量密度方面仍具优势，但钠离子电池凭借其资源分布均匀、成本低廉等特点，有望在特定应用场景中与锂离子电池形成互补。

• 成本优势：钠资源的储量远超锂资源，且分布更为均匀，有助于降低电池成本并减少对特定地区的资源依赖。
• 安全性：钠离子电池在安全性方面表现更优，适合对安全要求较高的应用场景。
• 环境适应性：钠离子电池在低温环境下的性能优于锂离子电池，适用于寒冷地区。

尽管这一研究突破展示了钠离子电池的巨大潜力，但要实现大规模商业化仍面临一些挑战：

• 能量密度：尽管新型材料已取得显著进步，但仍需进一步提升以满足更多应用场景的需求。
• 供应链建设：钠离子电池产业链尚不成熟，需要时间来完善。
• 标准制定：需要建立相应的行业标准以推动产业化进程。

研究团队已对新材料进行了公斤级放大实验，并成功组装了软包电池，展示了其优异的快充和循环性能。这一进展为钠离子电池的商业化应用奠定了坚实基础。

中国科学院过程工程研究所的这一研究成果，不仅在技术上实现了重要突破，更为钠离子电池的未来发展指明了方向。随着研究的深入和产业化的推进，钠离子电池有望在不久的将来为全球能源存储和利用带来新的变革。