Angew. Chem.：离子极化驱动缺陷策略提升Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)循环稳定性及快充性能

钠离子电池（SIBs）具有价格低廉、安全性高且宽温域下性能良好等优势，成为了电化学储能领域的颇具发展潜力的二次电池体系。然而，开发先进钠离子电池面临的主要挑战之一是寻找具有高能量密度和长寿命的合适正极材料。其中，Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)（NFPP）具有交联的三维钠离子迁移通道、适中的平均工作电位（约3.1 V）、较高的理论容量129 mAh g^-1、以及充放电过程中较小体积变化率（约4%）而备受关注。然而，NFPP较低的电子电导率和较差的循环稳定性是阻碍其应用的限制因素。

近日，大连理工大学的颜洋副教授团队联合东北师范大学吴兴隆教授、潍坊科技学院李成杰教授创新性地提出离子极化驱动缺陷工程策略，通过掺杂具有强极化力的（18+2）电子构型（5s²5p⁶5d¹⁰6s²6p⁰）的Bi³⁺来提升NFPP的动力学性能并增强其结构稳定性。一方面，引入Bi3+后，带隙减小，促进电子的快速传输。另一方面，Bi³⁺的离子极化作用比Fe²⁺更为显著，有利于形成更稳定的Bi-O键，进而增强Bi-NFPP的晶格稳定性。通过密度泛函理论（DFT）、原位XRD、同步辐射等多维表征证实Bi³⁺掺杂引入晶格缺陷并优化Na⁺扩散路径，同时通过离子极化效应增强局部结构刚性，在一个充放电结束之后，体积变化仅有2.3%。

经过优化，0.02Bi-NFPP展现出卓越的高倍率性能，在100 C的倍率下容量可达42 mAh g^-1。它还表现出超长的循环寿命，在20 C的倍率下循环20000次后容量保持率仍为86.9%，平均每圈循环衰减0.000495 mAh g^-1。在由0.02Bi-NFPP作正极、硬碳作负极的全钠离子电池中，在1 C的倍率下循环200次后容量保持率达到95.5%。这项研究证实了通过利用离子极化效应来提升NFPP电化学性能的可行性，突破传统碳包覆局限，从原子尺度揭示离子极化与缺陷协同机制并为钠离子电池提供了一种成本效益高、超稳定且具有高倍率性能的正极材料。

论文信息

Ionic Polarization-Driven Defect Engineering in Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇) Cathode: Fast Charging and Ultra-Long Cycle Life of Sodium-Ion Batteries

Yu-Jie Wang, Dr. Zhen-Yi Gu, Dong-Sheng Bai, Ze-Lin Hao, Han-Wei Huang, Dr. Yang Yan, Dr. Cheng-Jie Li, Dr. An-Min Liu,

论文的第一作者是大连理工大学的硕士研究生王昱捷和东北师范大学的谷振一博士。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202507573