香港理工大学陈国华教授/於晓亮博士 InfoMat：基于富钠NASICON结构正极的高能量密度、长寿命无钠负极的钠金属电池

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2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat获得首个影响因子--25.405！

摘  要

香港理工大学的於晓亮博士、陈国华教授和清华大学深圳国际研究生院的李宝华教授联合报道了一种预钠化策略用于构建初始无钠负极的钠金属电池。

文章简介

锂离子电池作为高效能源存储器件在便携式电子设备和电动汽车等领域得到广泛应用。由于锂资源储量少且分布不均，开发新型非锂基电池迫在眉睫。与锂相比，钠资源储量丰富、成本低廉，因此可充电钠金属电池有望在大规模能源储存得到广泛应用。然而，传统钠金属电池使用了过量的金属钠，这不仅会降低电池的整体能量密度还会引发潜在的安全问题。鉴于此，近日，香港理工大学的於晓亮博士、陈国华教授和清华大学深圳国际研究生院的李宝华教授联合报道了一种预钠化策略用于构建初始无钠负极的钠金属电池，文章发表在InfoMat上。

该文章利用电化学预钠化技术使磷酸钒钠（Na3V2(PO4)3，Na3VP）正极中预先储存多余的钠形成富钠的Na5V2(PO4)3（Na5VP）正极，该正极可以直接用作无钠负极的钠金属电池的工作电极用于提高能量密度和延长循环寿命。相比于其他方法，电化学预嵌钠技术不会引入其他杂质且具有操作简便等优势。在钠化过程中，两个Na原子逐渐嵌入到Na₃VP晶格中，伴随着Na3VP向Na4V2(PO4)3 (Na4VP)至Na5VP的相转变。在脱钠过程中，两个钠原子可以从Na3VP中可逆地脱出，形成 Na1V2(PO4)3 (Na1VP)。在该无负极钠金属电池中，电池的初始充电过程中，每个Na5VP中的四个Na院子可以沉积到Al/C集流体上，伴随着Na1VP的形成。之后，电池在选定的电压窗口内充电和放电，例如，1.0–3.8 或 3.0–3.8 V，可以发生三电子或两电子氧化还原反应（图1和2）。

图1.（A）Na₃VP在嵌钠和脱钠过程中的相变；（B）基于Na₅VP正极的无钠负极钠金属电池在1.0–3.8 V 和3.0–3.8 V电压窗口的工作原理。

图2. （A）第一次放电至0.1 V的电压曲线图；（B）Na₃VP||Na 电池在0.1–3.8V 电压范围内的CV曲线。（C）Na₃VP||Na 电池的原位XRD图及相应电压曲线。（D）Na₅VP||Na电池在不同电压窗口（1.0–3.8 和 3.0–3.8 V）内的循环性能。

Na₅VP中预存的Na原子不仅可以作为理想的Na补充剂来抵消循环过程中Na的损失，而且还可以在1.0-3.8 V的电压窗口（vs. Na/Na+）内实现可逆的三电子氧化还原反应，获得400 Wh kg⁻¹（基于活性材料的总质量）的超高能量密度和长循环寿命（>130圈）。在窄电压窗口（3.0-3.8 V vs. Na/Na+）下，该钠金属电池在2C下循环300次后容量保持率为95%，展现出优异的循环稳定性（图3）。本文提出的可逆钠化策略为构建高能量密度和长寿命钠金属基电池开辟了一条新途径。

图3.（A）Na₅VP||Al/C and Na₃VP||Al/C 电池在1.0–3.8 V电压区间的首次充放电曲线（0.5C）；（B）Na₅VP||Al/C and Na₃VP||Al/C电池在1.0–3.8 V电压区间2C下的循环性能。（C）Na₅VP||Al/C and Na₃VP||Al/C 电池在3.0–3.8 V电压区间的首次充放电曲线（0.5C）；（D）Na₅VP||Al/C and Na₃VP||Al/C电池在3.0–3.8 V电压区间2C下的循环性能。

作者简介

吴军雄  博士

香港理工大学

吴军雄博士于2016年获得清华大学材料工程硕士学位，2020年于香港科技大学获得博士学位。博士毕业后于香港理工大学机械工程系从事博士后研究工作（2020-2021年），2021年11月加入福建师范大学环境科学与工程学院。主要的研究兴趣包括碱金属负极、新型（准）固态电解质、电极界面设计等，以一作（含共一）/通讯作者在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Nano Energy等SCI期刊20余篇，担任Chinese Chemical Letters及Rare Metals青年编委。

於晓亮博士

香港理工大学

於晓亮博士于2011年和2016年分别获得清华大学材料科学与工程学士和博士学位。博士毕业后于日本国立材料科学研究所从事博士后研究。2020年加入香港理工大学机械工程系建立研究课题组，任助理教授（研究），博士生导师。主要研究兴趣包括纳米碳材料制备、复合材料界面设计以及（低温）电化学储能系统构建。以一作/通讯作者在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Nano Energy等期刊发表论文20余篇，并担任国际期刊Frontiers in Chemistry的首席客座编辑。

论文信息

Sodium-rich NASICON-structured cathodes for boosting the energy density and lifespan of sodium-free-anode sodium metal batteries

Junxiong Wu,Cong Lin,Qinghua Liang,Guodong Zhou,Jiapeng Liu,Gemeng Liang,Man Wang,Baohua Li*,Liang Hu,Francesco Ciucci,Qiang Liu,Guohua Chen*,Xiaoliang Yu*

DOI:10.1002/inf2.12288

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关于InfoMat

《信息材料（英文）》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。

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