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鈉離子電池以其突出的電化學(xué)性能，低廉的價(jià)格被認(rèn)為是最具吸引力的替代鋰離子電池成為下一代可持續(xù)和大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的產(chǎn)品。在用于鈉離子電池的各種正極材料中，鐵基正極材料由于其豐富的原材料資源，低廉的價(jià)格，安全性和無毒特性，有望成為最適合大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)材料體系。
迄今為止，鐵基正極材料在層狀氧化物，聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類材料中已被廣泛應(yīng)用，因此對(duì)鐵基正極材料的研究在鈉離子領(lǐng)域具有很重要的意義。
上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院/理學(xué)院張久俊&趙玉峰教授課題組，基于近期相關(guān)工作和已有的文獻(xiàn)報(bào)道，系統(tǒng)綜述并展望了鐵基正極材料在鈉離子電池中的研究進(jìn)程。
文章系統(tǒng)地總結(jié)了鐵基正極材料在層狀氧化物，聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)材料應(yīng)用研究。文章主要從不同類別鐵基正極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成方法、電化學(xué)行為以及相應(yīng)的電荷存儲(chǔ)機(jī)制等方面進(jìn)行了總結(jié)。
此外，文章還首次總結(jié)了Na-free鐵基正極材料在鈉離子電池正極中的應(yīng)用。該綜述對(duì)不同類別鐵基正極材料的應(yīng)用前景進(jìn)行了系統(tǒng)的展望。其中層狀氧化物中O3型鐵基氧化物因具有更高的放電比容量和工作電壓平臺(tái)相對(duì)于P2相層狀氧化物具有更高的商業(yè)化前景，但O3型氧化物在充放電過程會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的相變，這在一定程度上阻礙了其商業(yè)化的進(jìn)程。聚陰離子型鐵基材料具有較為穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性，其中具有NASICON結(jié)構(gòu)的Na3Fe2(PO4)3在0.1 C時(shí)可提供100 mAh g-1的比容量,在2.5 V處具有非常平坦的平臺(tái)。NASICON結(jié)構(gòu)的Na3Fe2(PO4)3具有和商業(yè)化LiFePO4很類似的電化學(xué)性，且具有出色的循環(huán)性能，經(jīng)過500圈循環(huán)仍可以保持90%的容量保持率，非常適合大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。此外，普魯士藍(lán)藍(lán)類鐵基材料Na2Fe[Fe(CN)6]具有約500 Wh/kg的比能量（相對(duì)于金屬鈉負(fù)極），這與Li/LiFePO4的比能量已經(jīng)十分接近，具有非常潛在的應(yīng)用價(jià)值。隨著5G全球市場(chǎng)的迅速擴(kuò)展，5G基站的能耗也將是十分巨大的，傳統(tǒng)鉛酸蓄電池愈發(fā)不能滿足5G基站的能耗，而這些具有商業(yè)化前景的鐵基鈉離子電池在未來有望取代鉛酸蓄電池成為5G基站主流的供電系統(tǒng)。該綜述為鐵基正極材料在鈉離子電池中的實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)性的策略。對(duì)鐵基正極材料的商業(yè)化前景做了系統(tǒng)的分析。
相關(guān)論文以Progress and Application Prospects in Advanced and Cost-effective Iron (Fe)-based Cathode Materials for Sodium-ion Batteries為題目在線發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A上，第一作者為可持續(xù)能源研究院/上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院博士生王軒，通訊作者為上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院/理學(xué)院趙玉峰和張久俊教授。