中國(guó)粉體網(wǎng)訊 儲(chǔ)能技術(shù)是可再生能源發(fā)電并網(wǎng)和智能電網(wǎng)應(yīng)用普及的核心技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳中和及碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤以電化學(xué)儲(chǔ)能為突出形式。近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所和中科院物理研究所清潔能源團(tuán)隊(duì)合作，在鈉電池正極材料的規(guī)模化制備研究中取得進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出“一步機(jī)械化學(xué)法”快速制備鈉電池聚陰離子正極材料氟磷酸釩鈉。這一制備策略可提高該材料的生產(chǎn)效率，也是對(duì)室溫共沉淀法制備這一化合物的進(jìn)一步開(kāi)拓。
二次電池是新一輪能源變革的焦點(diǎn)。全民普及的鋰離子電池受鋰資源成本和儲(chǔ)量分布的限制，恐難以滿足未來(lái)規(guī)模儲(chǔ)能的需求。鈉離子電池兼具原材料資源豐富、成本低、安全性高等優(yōu)勢(shì)，成為鋰離子電池的補(bǔ)充，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域大展拳腳。聚陰離子型化合物氟磷酸釩鈉Na3(VO1-xPO4)2F1+2x(0≤x≤1)（NVPFs）作為鈉離子電池儲(chǔ)能正極材料，具有高達(dá)480 Wh/kg的能量密度，可與目前常用的鋰電池中的磷酸鐵鋰比肩。若能夠規(guī)�；瘧�(yīng)用，可在規(guī)模儲(chǔ)能和動(dòng)力電池市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。
自1999年法國(guó)科學(xué)家J.-M. Le Meins發(fā)現(xiàn)以來(lái)，氟磷酸釩鈉的合成一直采用高溫固相法，高能耗帶來(lái)的高昂成本及欠充分發(fā)揮的電化學(xué)性能限制了該類材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。過(guò)程工程所研究員趙君梅團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于NVPFs的低成本綠色合成及性能提升研究，近年來(lái)獲得了多項(xiàng)專利技術(shù)和研究成果。團(tuán)隊(duì)以降低能耗和形貌調(diào)控為出發(fā)點(diǎn)，采用水熱/溶劑熱合成氟磷酸釩鈉，對(duì)材料的充放電機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究；在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一步室溫可控制備多殼層氟磷酸釩鈉微球技術(shù)（Joule 2018, 2(11): 2348-2363），在降低該材料生產(chǎn)能耗的同時(shí)提升了其性能。然而，液相反應(yīng)會(huì)受到原料/產(chǎn)物溶解度、pH等多參數(shù)調(diào)控的限制�；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出無(wú)溶劑的機(jī)械化學(xué)法以快速制備含碳NVPFs復(fù)合物，因能實(shí)現(xiàn)原位碳骨架的構(gòu)建，界面反應(yīng)得以強(qiáng)化。該制備方法可將液相法的7天生產(chǎn)時(shí)間縮短至30分鐘，產(chǎn)品倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性得到提升，保證了工業(yè)應(yīng)用的生產(chǎn)效率。產(chǎn)品公斤級(jí)放大組裝的商業(yè)級(jí)26650圓柱電池證實(shí)了其高功率和長(zhǎng)循環(huán)特性。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上。
該研究成果進(jìn)一步推動(dòng)了氟磷酸釩鈉的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，且機(jī)械球磨原位構(gòu)建碳骨架相對(duì)于常規(guī)多步驟包碳以及高溫?zé)峤獍季哂忻黠@優(yōu)勢(shì)，為正極材料倍率和循環(huán)性能的提升提供了一種可行性策略。同時(shí)，公斤級(jí)產(chǎn)品放大實(shí)踐表明，機(jī)械化學(xué)法快速規(guī)模制備鈉電池正極材料已成為可能，這會(huì)降低鈉離子電池材料的制備成本。
趙君梅團(tuán)隊(duì)近年來(lái)針對(duì)聚陰離子型材料進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了高溫路線到室溫合成的轉(zhuǎn)型，主要研究成果包括：Nat. Commun. 2021,12: 2848；Adv. Energy Mater. 2021, 2100729；Joule 2018, 2(11): 2348-2363；Chem. Commun. 2015, 51, 7160-7163；Angew. Chem. Int. Edit. 2015, 54, 9911-9916；J. Mater. Chem. A 2016, 4(19), 7178-7184；Small Methods 2019, 3, 1800111；ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 7474-7482等。
該研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）、中科院潔凈能源創(chuàng)新院合作基金項(xiàng)目、中科院綠色過(guò)程制造創(chuàng)新研究院的支持。
機(jī)械化學(xué)法制得氟磷酸釩鈉產(chǎn)品的電化學(xué)性能
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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