鈉離子電池（Sodium Ion Batteries）一直是近幾年來的研究熱點(diǎn)，因?yàn)殁c資源豐富，所以鈉離子電池相對(duì)于鋰離子電池在價(jià)格上有明顯優(yōu)勢(shì)，更適合應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能。在鈉離子電池正極材料中，橄欖石型磷酸鐵鈉（olivine NaFePO4）最受關(guān)注，因?yàn)樗染邆溟蠙焓筒牧弦回灥慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又具有優(yōu)秀的電化學(xué)曲線和較高的容量。目前橄欖石磷酸鐵鈉尚無法直接化學(xué)合成，最常用的簡(jiǎn)潔制備方法就是基于有機(jī)溶液的離子交換法（ion exchange method），它分為兩步進(jìn)行，第一步對(duì)磷酸鐵鋰脫鋰后得到磷酸鐵，第二步是對(duì)脫離后得到的磷酸鐵進(jìn)行充鈉，從而得到了磷酸鐵鈉。但是這種方法得到的磷酸鐵鈉電化學(xué)性能并不夠理想，它的容量通常在100-120mAh g-1，在循環(huán)100次之后就會(huì)發(fā)生明顯的容量衰減。分析認(rèn)為影響磷酸鐵納循環(huán)性能的一個(gè)可能的因素在于使用了有機(jī)溶液，為了驗(yàn)證這一猜想，新加坡國(guó)立大學(xué)Kian Ping Loh教授團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)了磷酸鐵鈉的基于水溶液的離子交換制備方案，和基于有機(jī)溶液的離子交換法進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)兩種方法背后的機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致深入的分析。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于水溶液的得到的磷酸鐵鈉不論在容量上還是在循環(huán)性能上都得到了顯著的提高，在0.1C的倍率下容量為142mAh g-1，在10C的倍率下能夠循環(huán)6000次。XRD和in-situ XANES數(shù)據(jù)表明，水溶液離子交換法得到的磷酸鐵鈉材料純度高，幾乎檢測(cè)不到磷酸鐵鋰殘留，而且鈉離子和離子能實(shí)現(xiàn)更接近1:1的交換；相比之下，有機(jī)溶液離子交換法制備的磷酸鐵鈉材料中能夠明顯地檢測(cè)到磷酸鐵鋰殘留，而且Na的反充也很不充分。為什么水溶液離子交換法和有機(jī)溶液離子交換法得到的材料會(huì)這么明顯的差別呢？通過分析我們認(rèn)為關(guān)鍵原因在于兩種方法下電極材料/電解液界面的差異。為此，我們進(jìn)一步對(duì)磷酸鐵鈉和磷酸鐵鋰兩種材料的水溶液界面和有機(jī)溶液界面進(jìn)行了建模和理論分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于有機(jī)溶液離子交換法，第二步充鈉過程中，殘余的鋰離子（第一步脫鋰過程中有鋰離子殘留，已被實(shí)驗(yàn)檢測(cè)證實(shí)）比鈉離子更容易進(jìn)入磷酸鐵，從而形成較多的磷酸鐵鋰雜質(zhì)。而對(duì)于水溶液離子交換法，第二步充鈉過程鋰離子進(jìn)入磷酸鐵的能力會(huì)大大降低，從而降低了磷酸鐵鋰雜質(zhì)的量，從而得到高純度的磷酸鐵鈉。
高純磷酸鐵鈉的電化學(xué)性能及水溶液離子交換法過程
本工作由新加坡國(guó)立大學(xué)Kian Ping Loh教授團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)合作完成。相關(guān)工作以論文的形式發(fā)表于材料工程一區(qū)雜志Journal of Materials Chemistry A （10.1039/c6ta01111j）上，唐偉、宋孝河（北大新材料學(xué)院研究生）、杜永華是該文章的共同第一作者，北京大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)是共同第一單位，Kian Ping Loh教授和潘鋒教授共同通信作者。
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Wei Tang,,+ Xiaohe Song,,+ Yonghua D,+ Chengxin Peng, Ming Lin, Shibo Xi， Bingbing Tian, Jiaxin Zheng, Yuping Wu, Feng Pan,* and Kian Ping Loh ,*
