中国科大开发出新型固态钠电氯化物正极材料

采用无机固体电解质和3.5V级正极的全固态钠电池在高安全和高比能的低成本电化学储能方面具有重要意义。但是在全固态正极中，目前常用的层状氧化物正极（如NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂），因自身刚性较强且循环过程中产生巨大晶格应变，易导致活性颗粒内部开裂和正极/电解质接触失效，进而引发不可逆容量损失。

近日，中国科学技术大学姚宏斌教授课题组与焦淑红教授课题组合作，开发出一种应用于全固态钠电池的高可变形性和低成本的新型钠电氯化物正极材料NaFeCl₄，有效解决了传统氧化物正极在循环过程中面临的接触失效问题，并揭示了NaFeCl₄在充放电过程中的相变过程以及结构可逆性。相关研究成果以“Deformable, Crack-free, and Low-Cost NaFeCl₄Cathode with Highly Structural Reversibility for Stable All-Solid-State Sodium Batteries”为题，于9月18日发表在《美国化学会杂志》上。

研究人员发现，Fe-Cl键在所有过渡金属-氯双原子分子中具有最低的键解离能（335.5 kJ mol^-1），这意味着选择Fe作为氧化还原活性元素更有可能构筑高可变形性正极。在此基础上，研究人员成功合成了NaFeCl₄，并发现冷压成型的NaFeCl₄杨氏模量仅为1.33 GPa，并具有极高的致密度（99.3%, 375 MP），有利于固态电池复合正极内部良好的固固接触。

图1.具有高度可变形性的NaFeCl₄正极的设计思路。

研究人员通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等测试深入探究了NaFeCl₄正极在循环过程中的结构可逆性以及其独特的两阶段相变原理，并揭示了NaFeCl₄嵌入钠离子之后产生的三种主要结构，包括Suzuki结构的Na₆FeCl₈（Fm3m）,正交尖晶石结构的Na_1.38Fe_1.31Cl₄（Imma）,和立方尖晶石结构的Na₂FeCl₄（Fd3m）。除此之外，通过原子力显微镜（AFM）和聚焦离子束（FIB）加工的扫描电子显微镜（SEM）测试表明，NaFeCl₄复合正极在不同荷电状态下的模量均处于2-3 GPa之间，使得复合正极内部在循环过程中始终保持无晶界、裂纹和孔隙的致密形貌。

图2.完全放电产物Na₂FeCl₄晶体结构的解析。

得益于NaFeCl₄的可变形性和结构可逆性，基于其组装的全固态钠电池在500次循环后仍能维持84.4%的容量保持率。令人欣喜的是，尽管成本仅为常用钠离子电池正极NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂的5.2%和Na₃V₂(PO₄)₃的3.7%，NaFeCl₄仍能提供具有竞争力的能量密度（~405 Wh kg^-1），这表明该新型钠电氯化物正极不仅为解决全固态复合正极的接触失效问题提供了全新的材料策略，还在未来大规模低成本储能方面具有巨大的应用潜力。

图3.NaFeCl₄基全固态钠电池的电化学性能。

我校化学与材料科学学院应用化学系博士研究生王子为、罗锦达和清华大学化学工程系黄中垣博士为共同第一作者，中国科学技术大学姚宏斌教授、焦淑红教授、殷逸臣博士为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”专项基金、安徽省科技创新计划以及合肥高性能计算中心、中国科学技术大学微纳米研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c06106

（化学与材料科学学院、科研部）