铁离子给氧当“调解员” 让钠离子电池拥有“超能量”
钠离子电池 被视为大规模储能领域的“潜力股”，但由于能量密度偏低，其产业应用一直受限。记者8月21日从南京大学获悉，该校郭少华教授、周豪慎教授团队提出一种铁介导新策略，据此制成的 钠离子电池 能量密度达到206瓦时/千克。该成果于20日刊发于国际学术期刊《自然·能源》。
要提升 钠离子电池 的能量密度，激活正极材料中的晶格氧氧化还原反应是一条重要途径，这要让晶格氧参与电荷补偿，提供额外容量。然而，晶格氧一旦被激活，其氧化还原的可逆性往往很差。
“这就好比弹簧压下去之后无法完全回弹。”论文共同通讯作者、南京大学教授郭少华告诉记者，晶格氧被激活后，容易导致晶格退化、电压衰减， 电池 性能快速下滑。如何在充分利用晶格氧容量的同时保证其可逆性，是长期未解的难题。
此次研究中，团队在经典的镁掺杂锰酸钠正极材料中引入三价铁离子，构筑了高容量氧活性正极材料。
“铁离子在这里扮演了‘调解员’的角色。”论文第一作者、时任南京大学副研究员褚世勇解释，铁的优势在于拥有丰富的价态，且可以灵活切换。充电时，部分三价铁离子先被电化学氧化为四价铁离子，后者充当 电子 受体，从晶格氧中“接收” 电子 ，自身被还原回三价铁离子，同时晶格氧被氧化；放电时，部分三价铁离子被电化学还原为二价铁离子，后者充当 电子 供体，把电子“回馈”给被氧化的晶格氧，自身被氧化回三价铁离子，晶格氧也恢复原状。
电子的“一来一回”，让晶格氧的氧化和还原多了一条高效的“化学通道”。实验证明，引入铁介导后，晶格氧氧化还原的可逆性从75%跃升至99%。
论文共同通讯作者、南京大学教授周豪慎表示，该成果为高比能钠离子 电池 的正极材料设计提供了一条新思路，但想从实验室走向产业化，还需要在材料规模化制备、 电池 一致性、全电池寿命评估以及成本控制等方面持续攻关