南理工陈明哲教授/陈双强教授EnSM观点：钠离子电池铁锰基聚阴离子正极的设计原则及成本效益平衡

第一作者：董行行

通讯作者：陈明哲*，陈双强*

单位：南京理工大学，温州大学，东华大学

钠离子电池已成为锂离子电池的可行替代方案，它利用了类似的电化学机制，同时又充分利用了钠的天然丰富性、地理分布广泛性和成本优势。这些特性使钠离子电池成为大规模储能和电动汽车的理想选择。在钠离子电池正极材料中，Fe/Mn基聚阴离子化合物引起了广泛的研究兴趣。然而，其电化学性能仍然受到固有结构和电子性质的限制，这极大地阻碍了它们在电网级储能系统中的实际应用。

近日，来自南京理工大学的陈明哲教授与温州大学，东华大学的陈双强教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“The design principles and cost-effective approaches for iron/manganese polyanionic cathodes of sodium ion batteries”的观点文章。该观点文章全面回顾了Fe/Mn基聚阴离子正极材料的发展历程和最新进展，重点阐明了Jahn-Teller效应的起源以及Fe³⁺/ Fe⁴⁺氧化还原对的活化机制，并评估了这些材料在不断发展的储能市场中面临的持续性科学挑战和新兴机遇，并分析了其商业可行性。

钠储量丰富，且具有经济优势和优异的电化学性能，鉴于其与锂离子电池相似的物理化学特性，钠离子电池成为锂离子电池极具吸引力的替代方案。在放电过程中，钠离子电池通过正负极之间钠离子的可逆迁移实现能量存储和转换，这符合典型的“摇椅”机制。此外，钠离子电池的正负极均可使用铝箔作为集流体，这进一步降低了生产成本，使钠离子电池成为未来大规模储能系统的理想选择。

自20世纪90年代以来，钒基聚阴离子化合物如Na₂VO(SO₄)₂和Na₃V₂(PO₄)₃由于其特殊的结构坚固性和良好的离子传输性能而成为钠离子正极候选者，引起了人们的关注。2010年代以来，研究重点逐渐从单一的钒基材料扩展到铁基和锰基聚阴离子体系。2014年，Jung等人证明了Na₂FeP₂O₇作为钠离子正极的潜力，表现出优异的倍率能力和长期循环稳定性。随后，Clark等人系统地检测了Na⁺在Na₂FeP₂O₇和Na₂MnP₂O₇中的扩散性能，强调了它们在高倍率条件下具有优越的离子传输性。Na₂Fe₂(SO₄)₃因其较高的工作电压（~3.8 V）和3D离子扩散路径而引起了人们的关注最近，衍生材料如Na₄FeV(PO₄)₃和Na_2+2xFe_2-x(SO₄)₃已经被开发出来。不断开发低成本、环保的钠离子正极材料是钠离子大规模应用的关键。这些材料的高性能和成本效益的特点为可持续和高效的能源存储系统的发展提供了动力。

由于地壳中锰和铁资源丰富，Fe/Mn基多阴离子化合物已成为开发低成本、环境友好型正极材料的理想选择。尽管大多数Fe/Mn基多阴离子化合物的工作电压高于3V，在大规模储能系统中具有巨大的应用前景，但它们在实际应用中仍面临一些关键挑战，包括电子电导率低、电化学性能有限、电压平台和能量密度不足以及界面不稳定等。

表1. Fe/Mn基聚阴离子正极各种参数对比。

从工业角度来看，Fe/Mn基多阴离子材料在资源可持续性、成本效益和热安全性之间实现了良好的平衡，使其特别适用于大规模储能和电网平衡应用。然而，在实现商业化之前，仍存在几个关键障碍：(1) 需要在保持结构可逆性的同时抑制 Jahn-Teller 畸变；(2) 需要同时激活 Fe/Mn 氧化还原对以突破电压限制；(3) 需要在可扩展合成过程中保ches for iron/manganese polyanionic cathodes of sodium ion batteries

陈明哲教授简介：南京理工大学能源与动力工程学院教授、博士生导师，入选海外高层次人才计划青年项目。长期重点围绕高比能、高安全、长寿命储能及特种电池关键材料开展系统性及应用研究。承担国家基金委项目及江苏省项目多项。以第一作者/通讯作者共发表Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Adv. Mater. 等高水平SCI论文50余篇，合著论文110余篇，总被引次数7000余次，H因子42。作为主编出版战略新兴领域规划教材一部。现任江苏省颗粒学会常务理事，能源颗粒专委会主任，中国颗粒学会青年理事等职。受邀国际/国内报告40余次，并担任多本高水平SCI期刊特约审稿人及客座编辑，入选JMCA及Nanoscale新锐科学家，连续多年入选全球Top2%顶尖科学家榜单。

陈双强教授，现就职于东华大学材料科学与工程学院，上海大学环境与化学工程学院（兼），博士生导师（洪堡学者，东方学者）。主要研究方向为功能化碳材料、有机/无机复合材料、理论计算及其在储能领域的应用。迄今，共获发明专利6项。在高水平杂志上发表论文100余篇（总引用数10000多次，ESI高被引论文10篇，H指数53），其中一作或通讯作者论文60余篇，包括Chem. Soc. Rev., Nature Communications，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano等。以副主编身份撰写专业教材1本：《碱金属电池关键材料基础与应用》（2021年，化学工业出版社）。四次入选全球前2%顶尖科学家榜单。担任多个知名SCI期刊的青年编委，如Infomat、Nano-Micro Lett.、Battery Energy、Chin. Chem. Lett.等，并担任Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等杂志的审稿人。曾获德国洪堡基金会、国家自然科学基金—面上项目、上海市教委、浙江省公益基金等多项基金的资助，并多次受邀在国内外学术会议上作邀请报告