钠电正极材料Na3V2(PO4)2F3的储钠性能优化及原子尺度钠脱嵌机理研究

Compared to currently popular lithium ion batteries, sodium ion batteries are realistic promising alternatives due to the abundance of the element Na, which have a great potential for the large-scale energy storage application, attracting great attention from both academic and industrial communities. Among the sodium cathodes, Na3V2(PO4)2F3 is one of the most promising candidates. To optimize the kinetics and thermodynamics of sodium storage and to clarify the sodium (de)intercalation mechanism are the key and challenging points. In this project, first, we will construct effective mixed conducting networks to prepare high-power Na3V2(PO4)2F3. Furthermore, we will prepare the doped Na3V2(PO4)2F3 (substitute F with less-electronegative elements such as Cl, Br) that can fully or partially remove the 3rd Na, whose energy density is further increased. Last but not least, we will clarify the sodium (de)intercalation micro-mechanism at atomic resolution by using aberration-corrected annular-bright-field (ABF) scanning transmission electron microscopy (STEM). The proposed project here is promising and expected to obtain high power-high energy sodium battery and to make great advancements in the field of energy storage. The success of the project will make a great contribution to commercialize sodium ion batteries and arrive at the deep understanding of sodium (de)intercalation micro-mechanism, as well as shedding light on other relevant energy materials.

由于钠具有资源丰富和成本低廉的优势，钠离子电池受到科学界和工业界的广泛关注，其中以Na3V2(PO4)2F3为代表的高电压氟化磷酸盐是最具前景的钠电正极材料之一。如何进一步优化其储钠性能（提升其功率密度和能量密度）以及从原子尺度明晰钠脱嵌机理，是该材料目前研究的关键与难点。本项目通过设计高效混合导电网络，特别是高效电子导电网络的构筑，提升Na3V2(PO4)2F3的功率密度；在此基础上，利用电负性较弱的卤族元素进行F位取代掺杂，实现第三个钠离子的全部或部分可逆脱出，提升材料能量密度；最后，利用高分辨的球差校正环形明场扫描投射成像技术从原子尺度对钠脱嵌机理进行明晰。本项目将为高功率和高能量的氟化磷酸盐钠电正极材料的制备和电化学性能优化奠定理论与实际操作基础，必将促进钠离子电池的开发和产业化进程，对其他相关能源材料也有着积极的借鉴意义。

本项目主要针对资源丰富和具有成本优势的钠离子电池，特别是以Na3(VO1-xPO4)2F1+2x(0≤x≤1)为代表的高电压氟化磷酸盐，来开发具有高能量密度与高功率密度的钠离子电池储能体系。如何进一步优化其储钠性能（提升其功率密度和能量密度）以及从不同尺度明晰钠脱嵌机理，是该材料目前研究的关键与难点。本项目针对这一有前景的钠电正极材料以及钠离子电池的全电池体系进行了深入系统的研究。通过离子-电子双连续电极结构的构筑，提升了氟化磷酸盐钠电正极Na3(VO1-xPO4)2F1+2x(0≤x≤1)的功率密度，解决了该材料的动力学限制因素，真正实现了高功率-高能量兼具的钠离子电池正极材料，体现出电池高能量密度以及超级电容器高功率密度的双重优点，并为氟化磷酸盐电极材料的高效混合导电网络的设计与构筑提供普适解决方案。另外，利用电负性较弱的卤族元素进行F位取代掺杂，研究实现第三个钠离子的全部或部分可逆脱出的可逆性，提升材料能量密度。同时，深入研究了不同尺寸、不同尺度下Na3(VO1-xPO4)2F1+2x(0≤x≤1)钠电正极的微观脱嵌机制，为深入理解该材料以及电化学性能优化提供实验与理论依据。最后，通过多机制协同-多材料复合策略制备高能量-高功率-长循环钠电负极材料，为最终实现低成本高性能钠离子电池全电池体系的开发奠定基础。