於晓亮/陈国华/李宝华InfoMat：富钠NASICON结构正极助力400Wh/kg钠金属电池！

由于钠资源的天然丰富性和低成本，可充钠金属电池(SMBs)已成为商业锂离子电池有希望的替代品。然而，在传统SMBs中过度使用金属钠会限制其能量密度并导致严重的安全问题。

香港理工大学於晓亮、陈国华、清华大学深圳研究生院李宝华等首次开发了由富钠的NASICON结构正极和裸Al/C集流体组成的无钠负极SMB(SFA-SMB)配置，以应对上述挑战。

於晓亮/陈国华/李宝华InfoMat：富钠NASICON结构正极助力400Wh/kg钠金属电池！

图1. 用于先进SFA-SMB的富钠NASICON结构正极的概念

在此作者设计了一种预嵌合策略，以在结构稳定的钠超离子导体(NASICON)结构的正极中预储存大量的钠。具体而言，以Na₅V₂(PO₄)₃(Na5VP)形式存在的预钠化Na3VP可直接用作SFA-SMB中的工作电极，同时提高能量密度和延长循环寿命。

Na5VP中预存的Na原子不仅可以作为理想的Na补充剂来抵消循环过程中Na的损失，而且还可以在1.0-3.8 V的电压窗口（相对于Na/Na⁺）内实现可逆的三电子氧化还原反应。在钠化过程中，随着从Na3VP到Na₄V₂(PO₄)₃(Na4VP)最后到Na5VP的相变，可以将另外两个Na原子逐渐嵌入到Na3VP晶格中，在脱钠过程中，两个钠原子从Na3VP中可逆地脱出，形成Na₁V₂(PO₄)₃(Na1VP)。

於晓亮/陈国华/李宝华InfoMat：富钠NASICON结构正极助力400Wh/kg钠金属电池！

图2. Na3VP正极的预钠化

实验显示，在1.0-3.8 V的电压窗口下，Na4VP到Na1VP的高度可逆相变导致 SFA-SMBs具有约400 Wh kg^-1的超高能量密度和良好的循环稳定性。

对于在3.0-3.8 V的窄电压窗口中运行时，其寿命进一步延长至超过300圈，同时具有320 Wh kg^-1的高能量密度和640 W kg^-1的功率密度。这些结果验证了可逆预钠化策略在提高SFA-SMB的能量密度和寿命方面是高效可行的，并且可以扩展到其他无金属负极电池系统。

於晓亮/陈国华/李宝华InfoMat：富钠NASICON结构正极助力400Wh/kg钠金属电池！

图3. Na5VP||Al/C电池在3.0–3.8 V电压窗口下的电化学性能

Sodium-rich NASICON-structured cathodes for boosting the energy density and lifespan of sodium-free-anode sodium metal batteries. InfoMat 2022. DOI:10.1002/inf2.12288

於晓亮/陈国华/李宝华InfoMat：富钠NASICON结构正极助力400Wh/kg钠金属电池！

相关推荐