鈉超離子導(dǎo)體（NASICON）型正極（例如，Na₃V₂（PO₄）₃）由于其開放和堅(jiān)固的框架、快速的Na⁺遷移率和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性而引起了廣泛的關(guān)注。為了使鈉離子電池（SIBs）商業(yè)化，NASICON型正極迫切需要更高的能量密度和更低的成本要求。

在此，中南大學(xué)梁叔全教授&曹鑫鑫副教授等人采用Fe取代策略設(shè)計(jì)了Na_3.5V_1.5Fe_0.5（PO₄）₃（NVFP），不僅降低了釩的高昂成本，而且實(shí)現(xiàn)了高電壓的多電子反應(yīng)。所制備的NVFP正極可超高容量（148.2 mAh g^?1），在100℃下10000次循環(huán)后，其容量保持率高達(dá)84%。

原位X射線衍射和非原位X射線光電子能譜表征揭示了電化學(xué)反應(yīng)過程中可逆的結(jié)構(gòu)演變和氧化還原過程（Fe²⁺/Fe³⁺、V³⁺/V⁴⁺和V⁴⁺/V⁵⁺）。

通過密度泛函理論計(jì)算，闡明了低離子遷移能壘和理想的Na⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。此外，與硬碳（HC）負(fù)極耦合，HC//NVFP全電池表現(xiàn)出高倍率能力和長(zhǎng)循環(huán)壽命（在50攝氏度下3000次穩(wěn)定循環(huán)）、304Wh kg^?1的高能量密度。

圖1. NASICON型NVEP-1材料的理論和電化學(xué)性能

總之，該工作設(shè)計(jì)了一種新型NASICON型NVFP作為SIBs的低成本、高能量密度和持久的正極材料。通過Fe摻雜，V⁴⁺/V⁵⁺氧化還原電對(duì)在高壓平臺(tái)成功激活。在2-3.8V的電壓窗口內(nèi)提供110mAh g^-1的初始放電容量。

當(dāng)充電截止電壓擴(kuò)大到4.3V時(shí)，容量高達(dá)148.2 mA h g^-1，比能量密度高達(dá)501 Wh kg^-1。由NVFP正極制備的SIFC在50C下循環(huán)3000次后仍保持63.5%的初始容量。可以實(shí)現(xiàn)304 Wh kg^-1的材料級(jí)能量密度，這與其他報(bào)道的全電池性能相當(dāng)。

圖2. 電池性能

Reversible Multi-Electron Redox Chemistry in NASICON-Type Cathode Toward High-Energy-Density And Long-Life Sodium-Ion Full Batteries Advanced Material 2023 DOI: 10.1002/adma.202304428