儲能技術是可再生能源發(fā)電并網(wǎng)和智能電網(wǎng)應用普及的核心技術，也是實現(xiàn)我國碳中和及碳達峰目標的關鍵技術之一，尤以電化學儲能為突出形式。近日，中國科學院過程工程研究所和中科院物理研究所清潔能源團隊合作，在鈉電池正極材料的規(guī)模化制備研究中取得進展，開發(fā)出“一步機械化學法”快速制備鈉電池聚陰離子正極材料氟磷酸釩鈉。這一制備策略可提高該材料的生產(chǎn)效率，也是對室溫共沉淀法制備這一化合物的進一步開拓。 

　　二次電池是新一輪能源變革的焦點。全民普及的鋰離子電池受鋰資源成本和儲量分布的限制，恐難以滿足未來規(guī)模儲能的需求。鈉離子電池兼具原材料資源豐富、成本低、安全性高等優(yōu)勢，成為鋰離子電池的補充，有望在大規(guī)模儲能領域大展拳腳。聚陰離子型化合物氟磷酸釩鈉Na₃(VO_1-xPO₄)₂F_1+2x(0≤x≤1)（NVPFs）作為鈉離子電池儲能正極材料，具有高達480 Wh/kg的能量密度，可與目前常用的鋰電池中的磷酸鐵鋰比肩。若能夠規(guī)?；瘧?，可在規(guī)模儲能和動力電池市場中占據(jù)一席之地。

　　自1999年法國科學家J.-M. Le Meins發(fā)現(xiàn)以來，氟磷酸釩鈉的合成一直采用高溫固相法，高能耗帶來的高昂成本及欠充分發(fā)揮的電化學性能限制了該類材料的產(chǎn)業(yè)化應用。過程工程所研究員趙君梅團隊長期致力于NVPFs的低成本綠色合成及性能提升研究，近年來獲得了多項專利技術和研究成果。團隊以降低能耗和形貌調(diào)控為出發(fā)點，采用水熱/溶劑熱合成氟磷酸釩鈉，對材料的充放電機理進行了系統(tǒng)研究；在此基礎上，開發(fā)出一步室溫可控制備多殼層氟磷酸釩鈉微球技術（Joule 2018, 2(11): 2348-2363），在降低該材料生產(chǎn)能耗的同時提升了其性能。然而，液相反應會受到原料/產(chǎn)物溶解度、pH等多參數(shù)調(diào)控的限制?；诖耍瑘F隊開發(fā)出無溶劑的機械化學法以快速制備含碳NVPFs復合物，因能實現(xiàn)原位碳骨架的構建，界面反應得以強化。該制備方法可將液相法的7天生產(chǎn)時間縮短至30分鐘，產(chǎn)品倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性得到提升，保證了工業(yè)應用的生產(chǎn)效率。產(chǎn)品公斤級放大組裝的商業(yè)級26650圓柱電池證實了其高功率和長循環(huán)特性。相關研究成果發(fā)表在Nature Communications上。

　　該研究成果進一步推動了氟磷酸釩鈉的商業(yè)化應用進程，且機械球磨原位構建碳骨架相對于常規(guī)多步驟包碳以及高溫熱解包碳具有明顯優(yōu)勢，為正極材料倍率和循環(huán)性能的提升提供了一種可行性策略。同時，公斤級產(chǎn)品放大實踐表明，機械化學法快速規(guī)模制備鈉電池正極材料已成為可能，這會降低鈉離子電池材料的制備成本。

　　趙君梅團隊近年來針對聚陰離子型材料進行了深入研究，實現(xiàn)了高溫路線到室溫合成的轉(zhuǎn)型，主要研究成果包括：Nat. Commun. 2021,12: 2848；Adv. Energy Mater. 2021, 2100729；Joule 2018, 2(11): 2348-2363；Chem. Commun. 2015, 51, 7160-7163；Angew. Chem. Int. Edit. 2015, 54, 9911-9916；J. Mater. Chem. A 2016, 4(19), 7178-7184；Small Methods 2019, 3, 1800111；ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 7474-7482等。 

　　該研究工作獲得國家重點研究發(fā)展計劃、國家自然科學基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）、中科院潔凈能源創(chuàng)新院合作基金項目、中科院綠色過程制造創(chuàng)新研究院的支持。 

機械化學法制得氟磷酸釩鈉產(chǎn)品的電化學性能