校企合作結碩果！國軒高科聯合華東理工大學攻克鈉離子電池正極材料核心難題

研究背景

在雙碳目標引領下，新能源儲能技術成為全球科技競爭的核心領域，鈉離子電池因資源豐富、成本低廉、安全性高的優勢，成為鋰離子電池的重要補充，在低速電動車、大規模儲能等領域具有廣闊應用前景。正極材料作為鈉離子電池的核心部件，其性能直接決定電池的能量密度、倍率性能和循環壽命，其中Na4Fe1.5Mn1.5(PO4)2(P2O7)（NFMPP）因兼具高電壓、高能量密度和良好穩定性成為研究熱點，但鈉/錳反位缺陷與姜-泰勒（J-T）畸變兩大難題，長期制約其性能突破。近日，國軒高科程騫博士團隊與華東理工大學江浩教授團隊開展深度校企合作，針對NFMPP正極材料的核心缺陷問題展開聯合攻關，提出了協同優化鈉離子與過渡金屬摩爾比（Na/TM）和釩摻雜的創新改性策略，成功制備出高功率、長壽命的NFMPP正極材料，相關研究成果發表于化工領域頂級期刊《Chemical Engineering Science》上，為鈉離子電池正極材料的性能提升提供了全新解決方案。

研究內容：

圖1不同Na/TM摩爾比樣品的(a)XRD圖譜和(b)晶胞參數；(c)不同樣品的鈉/錳反位缺陷濃度；(d) 1.39-V-NFMPP與1.39-NFMPP的晶體結構示意圖；(e) 1.39-V-NFMPP的XRD精修圖；(f)不同樣品的FTIR圖譜

本研究中，聯合團隊首先針對NFMPP高溫煅燒過程中易產生鈉空位、引發錳離子占位形成反位缺陷的問題，通過系統調控Na/TM摩爾比，確定1.39為最優比例，在富鈉合成條件下將鈉/錳反位缺陷濃度從5.9%大幅降至2.6%，有效緩解了Mn2+/Mn3+氧化還原平臺的電壓遲滯和容量損失。為進一步解決J-T畸變導致的鈉離子擴散動力學遲緩問題，團隊創新性引入釩離子摻雜，利用富電子釩離子形成的強V-O鍵與錳產生強相互作用，不僅將反位缺陷濃度進一步降至2.2%，更顯著增強了Mn-O鍵合，有效抑制了高自旋Mn3+的J-T畸變，為鈉離子擴散開辟了更通暢的通道。同時，釩摻雜還帶來了多重附加優勢：一方面，釩離子摻雜引入的過渡金屬空位，進一步拓寬了鈉離子遷移通道；另一方面，釩可催化碳源轉化為更高石墨化程度的碳層，提升材料的電子電導率。通過一系列結構調控與性能優化，最終制得的1.39-V-NFMPP正極材料展現出遠超傳統材料的電化學性能。

圖20.1C下的(a)首圈充放電曲線及(b)對應的dQ/dV曲線；(c) 0.1mV/s下的CV曲線；(d)倍率性能；(e) Fe2+/Fe3+和Mn2+/Mn3+對的容量貢獻；不同倍率下的(f)電壓滯后數值和(g)能量密度；(h) 1C下循環性能

在電性能測試中，1.39-V-NFMPP表現出優異的電化學性能：0.1C下初始充電比容量為115.1 mAh g-1，能量密度高達334 Wh kg-1，性能優于多數已報道的磷酸鹽基正極材料；倍率性能突出，在10C高倍率下仍能保持68.4 mAh g-1的可逆比容量；循環穩定性更是實現重大突破，1C下經過500次循環后，容量保持率仍高達94.1%，遠超未改性材料，成為下一代鈉離子電池極具競爭力的候選材料。

圖3(a)不同材料的電子電導率；(b)不同正極的CV峰值電流與掃速平方根之間關系；(c)通過GITT計算的鈉離子擴散系數；(d)不同正極的Rct值；(e) 1.39-V-NFMPP正極在OCV和4.3V時的V 2p XPS圖譜；(f)不同正極在4.3V時的Mn 3s XPS圖譜；不同正極循環前后的(g) Rct、(h)金屬離子溶解量和(i)XRD圖譜

深入的機理研究表明，1.39-V-NFMPP的性能突破源于電子電導率和離子擴散動力學的同步提升：其電子電導率較傳統材料提升6倍以上，鈉離子平均擴散系數達11.6×10-11cm2s-1，是傳統材料的2倍多；同時，釩摻雜在充電過程中參與電荷補償，抑制了Mn2+向Mn3+的氧化，有效緩解了J-T畸變，提升了材料的結構穩定性；此外，改性后的材料界面化學穩定性顯著增強，過渡金屬溶出量大幅降低，500次循環后鈉負極表面的鐵、錳沉積量僅為傳統材料的1/5左右，有效保護了電極結構，延長了電池壽命。

研究總結：

鈉離子電池作為未來新能源的重要發展方向，其產業化進程離不開關鍵材料的技術突破。本研究通過將Na/TM摩爾比優化至1.39，有效降低了材料的鈉/錳反位缺陷濃度；摻雜的釩離子與錳產生強烈的相互作用，增強了Mn-O鍵合，有效緩解J-T畸變，提升了鈉離子擴散動力學。最終合成的1.39-V-NFMPP材料鈉/錳反位缺陷濃度低至2.2%，可逆能量密度高達334 Wh kg-1，且循環穩定性卓越，1C下500次循環后容量保持率高達94.1%。本次合作研發NFMPP正極材料，兼具高能量密度、高倍率性能、長循環壽命和低成本的優勢，完美契合大規模儲能和民用動力電池的應用需求。未來，雙方將繼續深化校企合作，圍繞該材料的制備工藝優化、產業化放大等方面展開進一步研究，推動技術成果快速轉化，助力我國鈉離子電池產業高質量發展，為雙碳目標的實現提供有力的技術支撐。

參考文獻：

Shuting Wen, Linlin Zhou, Ling Chen, Yaoguo Fang, Qian Cheng, Haifeng Yu*, Hao Jiang*. Alleviating anti-site defects and Jahn-Teller effects in Na4Fe1.5Mn1.5(PO4)2(P2O7) for high-power and long-life Na-ion batteries.Chem. Eng. Sci.320 (2026) 122673.