【人物与科研】东北师大吴兴隆Adv. Mater.：先进的高电压、高能量密度高熵氟磷酸盐钠离子电池正极材料

导语

作为钠离子电池正极材料，氟磷酸钒钠（Na₃V₂(PO₄)₂F₃ ,NVPF）在钠离子进行脱嵌过程中表现出高离子传导率、结构和热力学稳定的优点，受到了广泛的研究和关注。然而，NVPF仍面临着电子电导率较低、平均工作电压和能量密度不够高等挑战性问题。因此，在提升NVPF正极的倍率和循环性能的基础上同时提升其能量密度，对促进该类材料的实用化具有重要的价值。近日，东北师范大学吴兴隆教授课题组针对氟磷酸钒钠正极进行研究，引入高熵设计理念，开发了高熵氟磷酸盐（HE-NVPF）正极，实现了氟磷酸盐正极材料工作电压和能量密度的提升。该高熵氟磷酸盐不仅抑制了NVPF原有低压区的相转变，而且提升了NVPF的电子电导率和降低了钠离子迁移过程能垒，表现出优异的循环和倍率性能。该成果以“Advanced High-Entropy Fluorophosphate Cathode for Sodium-ion Batteries with Increased Working Voltage and Energy Density”为题，发表于材料学科的国际顶级期刊Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202110108）上。

吴兴隆教授简介

吴兴隆，东北师范大学教授，博士生导师，教育部国家级青年人才、吉林省拔尖创新人才。主要从事电池储能材料、废旧锂电回收与再利用等研究工作。已在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Sci. Bull.等学术期刊发表通讯作者论文130多篇。18篇论文入选ESI高引论文；发表的文章被他人引用超过13000次，H指数为60；已获授权发明专利17项。主持了国家自然科学基金委重大研究计划和吉林省省科技厅等10余项研究课题。曾获得教育部自然科学研究成果一等奖和中国科学院科技成果转化二等奖等。培养的学生中，已有2人获得“博新计划”、6人获得省级优秀博/硕士学位论文、30多人次获得校优秀毕业生、国家奖学金等奖励和荣誉。

前沿科研成果

先进的高电压、高能量密度高熵氟磷酸盐钠离子电池正极材料

图1. HE-NVPF的结构和形貌表征结果

（来源：Adv. Mater.）

通过V位的多元素（Al, Cr, Ca, Mn, Mg）取代，得到熵增的HE-NVPF正极材料。HE-NVPF具有良好的结晶性、各元素均匀地分布在晶体中。成功地制备出HE-NVPF纯相材料。

图2. 证明了高熵效应可以抑制NVPF低压平台的出现、提升NVPF整体的电化学性能。

（来源：Adv. Mater.）

在纽扣电池中测试的HE-NVPF和p-NVPF的电化学性能。相比p-NVPF，HE-NVPF只具有两对高电压工作平台分比为3.6和4.2 V、高放电比容量（118.5 mA h g^-1）优异的倍率和长循环性能、更高的平均工作电压和能量密度。

图3. 证明了高熵效应抑制了NVPF低压区相转变的发生，提升了NVPF的钠离子迁移速率，更有利于提升NVPF的倍率和循环性能。

（来源：Adv. Mater.）

CV和GITT动力学研究发现，HE-NVPF钠离子迁移速率值在10^-10-10^-12 cm² s^-1范围内相对小范围浮动，而p-NVPF在10^-10-10^-15 cm² s^-1大范围变化，尤其是在低压区域。此外，p-NVPF低压区域内的钠离子迁移速率远低于其他高压区域，严重限制了钠离子的整体迁移动力学。同时，通过原位XRD证明了HE-NVPF在低压区（3.4 V）是连续的固溶体行为，而不是p-NVPF中的相转变过程。

图4. DFT计算结果表明：高熵HE-NVPF具有更小的钠离子迁移能垒（0.5370 eV）和更低的带隙（0.71 eV），这意味着高熵效应可以提升NVPF的钠离子迁移动力学和电子电导率。

（来源：Adv. Mater.）

图5. 表明HE-NVPF具有良好的适用性。组装出HC//HE-NVPF钠离子全电池，表现出优异倍率和循环性能、高的工作电压和能量密度。

（来源：Adv. Mater.）

总结：

首次将高熵效应应用于钠离子电池氟磷酸盐正极材料中，制备出了无碳的HE-NVPF正极材料。高熵效应打乱Na位点的占位情况，抑制了Na(2)在充放电过程中的重排效应，抑制了低压区相转变的发生，降低了钠离子迁移能垒和电子带隙，提升了NVPF的电子电导率、钠离子迁移动力学、平均工作电压和能量密度，实现了NVPF材料的优异倍率和循环性能。这一重要的高熵策略，必将为新型正极材料的开发提供更多的指引和参考。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

关于人物与科研

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。