近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授团队在钠离子电池Fe基杂化磷酸盐正极材料研究方面取得重要进展，相关成果以“Insights into the Phase Purity and Storage Mechanism of Nonstoichiometric Na_3.4Fe_2.4(PO₄)_1.4P₂O₇ Cathode for High-Mass-Loading and High-Power-Density Sodium-Ion Batteries”为题，于2024年1月2日在线发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.202316957）上。

Fe基杂化磷酸盐材料Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇由于其优异的电化学性能逐渐受到研究者的广泛关注，然而其在合成过程容易产生不具有电化学活性的m-NaFePO₄杂相，制约了其性能的进一步发挥。此外，目前普遍认为Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇的结构演化机制为单相固溶，然而这与其充放电曲线的平台特征相悖，相关机制仍需进一步明晰。

在本研究中，杜菲教授团队通过固溶策略成功制备出了非化学计量比纯相Fe基杂化磷酸盐材料Na_3.4Fe_2.4(PO₄)_1.4P₂O₇，并首次发现其两相转变过程。研究团队将富锂锰基材料的固溶思想应用于杂化磷酸盐正极Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇的合成，通过将Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇分子式拆分为2NaFePO₄·Na₂FeP₂O₇并进行两相比例调控，成功得到非化学计量比纯相材料Na_3.4Fe_2.4(PO₄)_1.4P₂O₇。同时，该策略还具有普适性，可以有效解决Co基Na₄Co₃(PO₄)₂P₂O₇材料合成过程中的NaCoPO₄杂相问题。Fe基纯相材料Na_3.4Fe_2.4(PO₄)_1.4P₂O₇的容量由88.9 mAh g^-1提升至110.8 mAh g^-1，并兼具优异的倍率和循环性能，在超高倍率100 C下仍能提供50.5 mAh g^-1的比容量，20 C大电流循环14000圈之后容量保持率仍可高达83.1%。为进一步提高电池能量密度，对该材料进行了厚电极膜制备，通过1% CNT的加入实现了41.1 mg cm^-2的超高负载量（面容量高达3.7 mAh cm^-2）。最后，研究团队结合原位同步辐射XRD、原位XAS、非原位NMR，对电化学过程进行了深入、系统地研究，首次揭示了Fe基杂化磷酸盐材料的嵌/脱钠过程存在两相转变。

文章第一作者为吉林大学物理学院硕士研究生范紫薇，吉林大学物理学院博士研究生宋万德为共同第一作者。通讯作者为吉林大学物理学院杜菲教授、吉林大学物理学院田瑞源研究员、西安交通大学滑纬博教授、北京高压科学研究中心唐明学研究员。该工作得到了国家自然科学基金、吉林省科技发展计划项目和中央高校基本科研专项资金的大力支持。

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202316957