钠离子电池（Sodium Ion Batteries）一直是近几年来的研究热点，因为钠资源丰富，所以钠离子电池相对于锂离子电池在价格上有明显优势，更适合应用于大规模储能。在钠离子电池正极材料中，橄榄石型磷酸铁钠（olivine NaFePO4）最受关注，因为它既具备橄榄石型材料一贯的结构稳定性，又具有优秀的电化学曲线和较高的容量。目前橄榄石磷酸铁钠尚无法直接化学合成，最常用的简洁制备方法就是基于有机溶液的离子交换法（ion exchange method），它分为两步进行，第一步对磷酸铁锂脱锂后得到磷酸铁，第二步是对脱离后得到的磷酸铁进行充钠，从而得到了磷酸铁钠。但是这种方法得到的磷酸铁钠电化学性能并不够理想，它的容量通常在100-120mAh g-1，在循环100次之后就会发生明显的容量衰减。分析认为影响磷酸铁纳循环性能的一个可能的因素在于使用了有机溶液，为了验证这一猜想，新加坡国立大学Kian Ping Loh教授团队和北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队合作设计了磷酸铁钠的基于水溶液的离子交换制备方案，和基于有机溶液的离子交换法进行对比，并对两种方法背后的机理进行了细致深入的分析。
实验结果表明，基于水溶液的得到的磷酸铁钠不论在容量上还是在循环性能上都得到了显著的提高，在0.1C的倍率下容量为142mAh g-1，在10C的倍率下能够循环6000次。XRD和in-situ XANES数据表明，水溶液离子交换法得到的磷酸铁钠材料纯度高，几乎检测不到磷酸铁锂残留，而且钠离子和离子能实现更接近1:1的交换；相比之下，有机溶液离子交换法制备的磷酸铁钠材料中能够明显地检测到磷酸铁锂残留，而且Na的反充也很不充分。为什么水溶液离子交换法和有机溶液离子交换法得到的材料会这么明显的差别呢？通过分析我们认为关键原因在于两种方法下电极材料/电解液界面的差异。为此，我们进一步对磷酸铁钠和磷酸铁锂两种材料的水溶液界面和有机溶液界面进行了建模和理论分析。分析结果发现，对于有机溶液离子交换法，第二步充钠过程中，残余的锂离子（第一步脱锂过程中有锂离子残留，已被实验检测证实）比钠离子更容易进入磷酸铁，从而形成较多的磷酸铁锂杂质。而对于水溶液离子交换法，第二步充钠过程锂离子进入磷酸铁的能力会大大降低，从而降低了磷酸铁锂杂质的量，从而得到高纯度的磷酸铁钠。
高纯磷酸铁钠的电化学性能及水溶液离子交换法过程
本工作由新加坡国立大学Kian Ping Loh教授团队和北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队合作完成。相关工作以论文的形式发表于材料工程一区杂志Journal of Materials Chemistry A （10.1039/c6ta01111j）上，唐伟、宋孝河（北大新材料学院研究生）、杜永华是该文章的共同第一作者，北京大学和新加坡国立大学是共同第一单位，Kian Ping Loh教授和潘锋教授共同通信作者。
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文章链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01111j
Wei Tang,,+ Xiaohe Song,,+ Yonghua D,+ Chengxin Peng, Ming Lin, Shibo Xi， Bingbing Tian, Jiaxin Zheng, Yuping Wu, Feng Pan,* and Kian Ping Loh ,*
