香港理工大学徐正龙教授团队 AFM：高熵掺杂氟磷酸钒钠正极，实现高能长寿命钠离子电池

开发高能量密度、高功率的正极材料是推动实用化钠离子电池（SIBs）技术发展的关键需求。由于钠资源储量丰富且成本低廉，钠离子电池被认为是极具潜力的锂离子电池替代技术。在各类正极材料中，聚阴离子化合物因其优异的结构稳定性和长循环性能而备受瞩目。然而，传统的聚阴离子材料（如NASICON型）往往能量密度和容量受限。KTP型的NaVPO₄F材料虽然理论容量更高，但面临着合成过程中不可避免的杂质引入、本征电子电导率低和循环中发生相分离等挑战 。

近日，来自香港理工大学的徐正龙教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“High-Entropy Doped KTiOPO4-Type Vanadium-Based Fluorophosphate Cathodes for High-Energy Sodium-Ion Batteries”的文章。该文章报道了一种高熵掺杂的KTP型氟磷酸钒钠（HE-NVPF）正极材料 。该工作通过高熵策略，将多种元素（Fe, Mn, Ni, Al, Ca）微量掺杂到钒酸盐中，成功制备了单晶且无碳包覆的HE-NVPF材料 。该材料通过调控氧化还原中心的电子结构，获得了更高的工作电压和能量密度。在半电池中，其能量密度高达532 Wh kg⁻¹，并展现出3000次循环的长寿命。在与石墨负极匹配的全电池中，该材料同样表现出优异的能量密度和超过10000 W kg⁻¹的功率密度，展示了其巨大的实际应用潜力。

研究团队通过一种简便的水热-离子交换法，成功合成了一种无碳的高熵HE-NVPF正极材料。与需要使用羧甲基纤维素钠（CMC-Na）作为成核剂来合成纯相的原始NVPF（p-NVPF）不同 ，该策略通过引入多种金属离子（如Ni²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺），促进了前驱体的均匀成核和单晶生长，从而无需使用任何成核剂。最终得到的HE-NVPF材料呈现出均匀的元素分布的单晶颗粒。

HE-NVPF正极在半电池中表现出出色的电化学性能。其平均工作电压高达4.0 V，能量密度达到532 Wh kg^-1。该材料展现了优异的循环稳定性，在10 C的大电流下循环3000次后，每圈衰减率仅为0.008 %。此外，其倍率性能也十分出色，在30 C的高倍率下，仍能保持65.55 mAh g⁻¹的容量，远超原始NVPF材料。优异的倍率性能归因于由高熵掺杂提高的离子/电子导率，HE-NVPF正极具有更高的Na离子扩散系数以及明显减小的带隙。

HE-NVPF在充放电过程中经历的是高度可逆的固溶相变过程，晶格体积变化小（<4%），这与原始NVPF在放电过程中出现的有害两相反应形成对比，这种稳定的固溶体机理是其优异性能的关键。同步辐射X射线吸收谱进一步证明了高熵掺杂所带来的可逆V³⁺/⁴⁺氧化还原过程，同时FT-EXAFS表明高熵掺杂有效抑制了在原始NVPF材料中出现的晶格扭曲。

徐正龙教授现任香港理工大学工业及系统工程学系副教授。他同时也是超精密加工技术国家重点实验室、先进制造研究院、深空探测研究中心以及智能能源研究院的成员。徐正龙教授毕业于浙江大学，获得材料科学与工程学士学位，后于香港科技大学获得机械工程博士学位。课题组在Nature Communications, Advanced Materials, Energy & Environmental Science，Angew. Chem. 等期刊发表论文90余篇。研究领域主要包括先进能源材料与器件、原位表征技术以及计算与实验电化学。