清华、北航、国联研究院ACS NANO：两相结构优化的铁基聚阴离子正极材料用于高倍率长寿命钠离子电池

第一作者：魏炜

通讯作者：唐子龙*，王诗童*，肖尊球*

单位：清华大学，北京航空航天大学，国联汽车动力电池研究院

在钠离子电池正极材料体系中，Na₂Fe₂(SO₄)₃因其优异的氧化还原电势（约3.8 V）以及资源丰富、成本低廉等优势，近年来成为研究热点。然而，大量研究表明，Na₂Fe₂(SO₄)₃属于亚稳态结构，在实际合成过程中，总有部分FeSO₄无法参与反应，从而导致杂相生成。为解决这一问题，科研人员通常采用降低原料中FeSO₄含量、提高Na₂SO₄投料比例的策略，制备出非化学计量比的Na_2+2xFe_2-x(SO₄)₃（0.2≤x≤0.25）。尽管该方法能够有效减少杂相，但由于钠铁比例失衡，必然造成理论容量的降低。针对这一瓶颈，本研究提出了一种全新的合成策略：在合成过程中引入NaF，以消耗多余的FeSO₄，从而获得由Na_2.56Fe_1.72(SO₄)₃与Na₃Fe₂(SO₄)₃F组成、具有丰富相界面的两相复合正极材料。这一独特结构有效避免了铁基硫酸盐类聚阴离子材料中因残余FeSO₄引起的容量损失，实现了在0.1 C下112 mAh/g的高放电容量，在30 C下仍可输出82.9 mAh/g的优异倍率性能，并在30 C条件下循环10000次后保持83.9 %的容量稳定性。

近日，清华大学唐子龙教授与北京航空航天大学王诗童副教授，携手联合国联研究院肖尊球博士、湖南晶燚元新材料技术有限公司尧巍华博士，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Dual-Phase Engineered Iron-Based Polyanion Cathodes for Fast and Durable Sodium-Ion Batteries”的研究文章。针对Na₂Fe₂(SO₄)₃正极合成过程中FeSO₄残留的问题，本文提出配方–结构协同的优化策略：定量引入NaF，定向构筑Na_2.56Fe_1.72(SO₄)₃-Na₃Fe₂(SO₄)₃F双相材料，在消除杂相的同时避免传统缺铁配方的理论容量受限，实现容量、倍率与长循环稳定性的协同提升。

通过定量加入NaF，将本应残留的FeSO₄引导转化为具有电化学活性的 Na₃Fe₂(SO₄)₃F；材料仍以略缺铁的Na_2.56Fe_1.72(SO₄)₃为主相，但两相共同提供 Fe²⁺/Fe³⁺可逆位点，因此避免了“只靠缺铁消杂相”带来的容量上限。

Na_2.56Fe_1.72(SO₄)₃相与Na₃Fe₂(SO₄)₃F相在纳米尺度均匀共存，形成连续相界面：一方面为钠离子迁移提供快速路径，另一方面在高倍率反复充放电中分散与缓解局部应力，支撑长寿命与高倍率并存。

基于相定量与反应计量，精确确定加氟量以可控生成“主相＋次相”的双相框架，实现从配方到结构再到性能的闭环优化；与“纯缺铁”路线相比，更兼顾容量、倍率与循环稳定性。

Dual-Phase Engineered Iron-Based Polyanion Cathodes for Fast and Durable Sodium-Ion Batteries

唐子龙教授：清华大学教授，博士生导师，兼任化学传感器国际会议(International Meeting on Chemical Sensors，IMCS)（系列会议）国际执委会委员、中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事等学术职务。主要研究方向为锂离子电池材料、敏感材料与传感器技术、多种纳米材料的制备技术。曾主持或参与国家自然科学基金项目、国家863项目40余项，获得国家发明专利授权30余项，美国发明专利授权1项，在Nat. Comm.，Energy Environ Sci.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等高水平学术杂志上发表学术论文200余篇。

王诗童副教授：北京航空航天大学副教授，博士生导师，入选国家级青年人才计划。主要研究方向为做好电池（快离子导体、含水材料、储能机理）及用好电池（电池管理及优化、大数据、人工智能），并利用大模型构建面向复杂系统科学和真实应用场景的跨学科能力。已发表论文40余篇，以第一/通讯作者发表文章23篇，其中1篇Nat. Commun.，1篇Energy Environ. Sci.，1篇Adv. Mater.，2篇Adv. Energy Mater.，2篇Adv. Funct. Mater.等，授权发明专利11项（美国发明专利1项）。

魏炜，清华大学2021级工学博士研究生，主要研究方向为钠离子电池正极材料。