夏永高研究员、元家树副教授， Small观点： “铁粉一步法”合成NFPP正极：更低成本、更环保的钠电新路线

第一作者：毛可逸

通讯作者：夏永高*，元家树*

单位：中科院宁波材料所，宁波工程学院，宁波大学

随着新能源产业的快速发展，钠离子电池因资源丰富、成本低且安全性高，被认为是下一代储能体系中最具潜力的技术路线之一。在众多钠电正极材料中，Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇（NFPP）因结构稳定、电压平台高、循环寿命长而备受关注。然而，传统 NFPP 合成依赖磷酸铁前驱体，成本高、工序复杂，制备过程中还易产生废气和酸性废水；同时，高晶化 FePO₄ 的存在可能导致杂相（NaFePO₄）生成，从而降低电化学性能。因此，开发无需前驱体、低成本且绿色的 NFPP 快速制备路线，已成为行业亟需解决的关键问题。

近日，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的夏永高研究员与宁波工程学院的元家树博士合作在 Small 上发表了题为：“Precursor-Free Synthesis of Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇ Cathode Directly from Metallic Iron for Sodium-Ion Batteries”的研究论文。团队提出一种 “铁粉一步法”，无需 FePO₄ 前驱体，直接以 金属铁+磷酸+H2O2为起点，通过固–液一体化路线一步得到高性能 NFPP/C 正极材料，在成本、环境友好性和电化学性能方面都有突破性优势。

本研究提出了一种创新性的“铁粉一步法”合成路线，首次实现了在完全不依赖 FePO₄ 前驱体的情况下直接制备Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇正极材料。传统 NFPP 的制备往往需经历 FePO₄的预合成、煅烧、洗涤、干燥等多个复杂步骤，不仅流程冗长、时间成本高，还会产生含酸废水或 NOx 等污染物。而本研究以金属铁、磷酸和过氧化氢为起始原料，通过固–液协同反应即可一步获得目标产物，整个过程在常压条件下即可完成，操作简单、环境负担小。由于反应过程中唯一的副产物为氢气，不会产生酸性废液或有害气体，该方法在绿色化、低成本和可工业化放大方面展现出显著优势

在传统 NFPP 合成中，杂相 NaFePO₄的生成是普遍且难以避免的问题，这种杂相不仅电化学活性较低，还会影响最终材料的结构稳定性和倍率性能。本研究通过系统的热力学模拟与实验验证，发现只需对铁的投料量进行精确调节，即可有效控制反应体系中磷酸铁物种的比例，从而完全抑制杂相的生成。尤其是当铁的投料量减少约 3% 时，体系中 NaFePO₄的形成趋近于完全消失，实现高度纯相的 NFPP 产物。这一策略的突出优势在于其简洁性：无需任何掺杂剂、复杂的气氛控制或多阶段反应，仅通过原料比例的微调即可实现纯相控制，具有极高的工艺可重复性和工业可行性。

通过铁粉一步法制备的 NFPP/C 材料表现出优异的电化学性能，其在 0.1C 下的首次放电容量达到 108.5 mAh g^-1，在高倍率 10C 下仍能保持 96.9 mAh g^-1，展现出极强的倍率适应性。同时，该材料在 10C 下循环 2000 周后容量保持率仍高达 81.7%，说明其结构在快速钠离子脱嵌过程中具有高度稳定性。进一步的结构表征表明，材料在充放电过程中经历多对可逆的氧化还原反应，在位 XRD 分析证实其框架结构保持良好稳定性。此外，碳包覆层均匀且连续，使导电网络完整有效，结合多孔微结构，有利于电子和离子的快速传输。因此，该 NFPP/C 材料具备同时兼具高容量、高倍率与长循环寿命的综合优势，非常适用于大功率钠离子电池应用。

Precursor-Free Synthesis of Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇ Cathode Directly from Metallic Iron for Sodium-Ion Batteries

元家树副教授简介：2016年本科毕业于哈尔滨工业大学，2022年博士毕业于天津大学，攻读博士期间于2019年11月至2021年11月在芬兰阿尔托大学联合培养。2022年02月入职宁波工程学院新能源学院任教。长期从事新型储能材料和器件研发，开展基于连续流电化学反应系统制备和回收电池材料的相关工作。已在Materials Science and Engineering: R: Reports、Advanced Materials、Energy Materials Advance、Chemical Energy Journal、Nano energy等国内外权威期刊发表SCI论文30余篇。入选宁波市甬江人才工程。

夏永高研究员简介：中科院宁波材料所，电池绿色设计及循环利用团队的负责人。夏研究员长期从事锂/钠离子电池、关键材料及其器件、退役电池回收方面的研究取得系列重要进展。已在Nature Commun.、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Energy Storage Materials 和Nano Energy等学术期刊发表论文160余篇；申请发明专利160余项，获授权国家发明专利50余项，先后承担和完成国家重点研发计划新能源汽车试点专项、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金国际合作、中科院纳米先导专项计划、中科院重点部署项目、浙江省重点研发计划、宁波市2025重大专项以及国内外企业合作项目等在内的多项研究课题。

电池绿色设计及循环利用研究团队一直从事锂离子电池关键材料和退役电池回收方面的研究，取得了大量的研究成果。目前，团队成员近40名，其中副高以上5人，团队成员已在Nature Communications、Advanced Functional Materials和Nano Energy等学术期刊发表论文180余篇；申请发明专利200余项，获授权国家发明专利160余项；先后承担和完成国家重点研发计划新能源汽车试点专项、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金国际合作、中科院纳米先导专项计划、中科院重点部署项目、浙江省重点研发计划、宁波市2025重大专项以及企业合作项目等在内的多项纵向课题，实验室还与国内外的电池及材料公司或研究机构共识开展合作，具备了基础创新研究及解决产业化工程问题的能力和经验。