韩佳甲副研究员、王翠萍教授， Advanced Energy Materials观点：钙/氟共掺杂改性钠钒酸盐层状结构

第一作者：韩佳甲

通讯作者：韩佳甲*，王翠萍*

单位：厦门大学

近年来，钒氧化物和钒酸盐因其高容量和高功率特性在钠离子电池（SIBs）正极材料中备受关注。然而，这些材料的实际应用受到导电性差、高倍率性能不佳和循环寿命有限的制约。为了克服这些问题，本研究提出了一种通过钙/氟共掺杂改性钠钒酸盐（Na₂CaV₂O₆F，CVF）层状结构的方法。通过实验和密度泛函理论（DFT）计算，研究表明钙/氟协同作用可以增加CVF中的钠层间距，减少晶体水含量和体积收缩。此外，钙/氟掺杂显著降低了钠离子在材料框架内的扩散势能，从而提高了电化学性能。这一研究为高质量钒酸盐正极材料的设计提供了新的思路。

近日，来自厦门大学的韩佳甲副研究员和王翠萍教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Layered Structure Modification of Sodium Vanadate Through Ca/F Co-Doping for Enhanced Energy Storage Performance”的文章。这篇文章探讨了通过钙和氟共掺杂改性钠钒酸盐层状结构，实验和密度泛函理论计算结果表明，改性后的钠钒酸盐在高倍率下表现出优异的电化学性能，具有较高的可逆容量和良好的循环稳定性。这项研究为设计高性能钒酸盐正极材料提供了新的思路。

文章提出了一种通过钙（Ca）和氟（F）共掺杂来改性钠钒氧化物（Na₂CaV₂O₆F，简称CVF）的策略，以提高其在钠离子电池（SIBs）中的性能。通过实验和密度泛函理论（DFT）计算，研究表明，Ca/F共掺杂可以增加CVF中的钠层间距，减少晶体水含量和体积收缩。此外，Ca/F的引入显著降低了钠离子在材料框架内的扩散势能，从而提高了材料的电化学性能。

文章详细描述了CVF样品的电化学性能测试结果。未改性的CVF样品在10 mA g^^-1电流密度下表现出220 mAh g^^-1的高可逆容量，在400 mA g^^-1电流密度下表现出65.78 mAh g^^-1的优异倍率容量。此外，在1.5-4.0 V电压范围内，CVF在200 mA g^^-1电流密度下保持138 mAh g^^-1的容量，并在100个循环后保持104.88 mAh g^^-1的容量。这些结果表明，Ca/F共掺杂显著提高了CVF的循环稳定性和倍率性能。

在这项研究中，密度泛函理论（DFT）计算被用于分析钙和氟掺杂对材料结构和性能的影响。研究人员利用DFT计算研究了Ca和F在不同掺杂位点的总能量、电子态密度、充放电过程中材料的体积变化、钠离子迁移能垒等。结果表明，Ca和F共掺杂后，系统倾向于避免形成Ca-F键，Ca和F在系统中分散，导致晶体结构更加稳定。Ca和F共掺杂降低了钠离子的扩散能垒，提高了钠离子的扩散速率，从而增强了材料的电化学性能。此外，DFT计算还揭示了掺杂后的CVF样品具有更低的带隙值（2.51 eV），这与实验测得的带隙值（2.6 eV）相符，表明掺杂后的材料具有更好的电导率和更高的电化学性能。这些计算结果为理解掺杂对材料性能的影响提供了理论支持。

Layered Structure Modification of Sodium Vanadate through Ca/F Co-Doping for Enhanced Energy Storage Performance”

韩佳甲副研究员简介：厦门大学材料学院特任副研究员，2011-2012 年在美国宾夕法尼亚州立大学作访问学者。主要从事金属材料与新能源材料的设计与开发方面的工作。包括第一作者/通讯作者在内，已在Sci. Adv.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.、Acta Mater., J. Mater. Sci. Technol.、Mater. Design等国际著名期刊上发表论文120余篇，申请国家发明专利10余项。主持并参与多项国家自然科学项目和省部级基金项目、以及企业相关的横向研发项目。

王翠萍教授简介：厦门大学材料学院教授，主要从事相图与相变，材料热力学与动力学，计算材料学、材料设计及其新材料研发等方面的工作，已先后主持承担了国家自然科学基金重点项目、面上项目、科技部国际科技合作专项、日本科学技术振兴机构与厦门大学间的国际合作项目、教育部科技重点项目和教育部博士点基金及专项科研基金（优先发展领域）、厦门市科技计划项目等，并作为主要研究骨干参与了国家重点研发计划、863计划、973计划、科技部国际科技合作项目、国家自然科学基金重点项目等重大课题的研究工作。已在包括Science、Physical Review Letters、Acta Materialia、Applied Physics Letters等重要学术刊物上共发表论文350多篇。2005年至今获得日本发明专利3项、中国国家发明专利授权46项、实用新型专利5项。