近日，南方科技大学赵天寿、韩美胜、曾林团队在国际能源与环境科学领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》发表了一项关于钠离子电池正极材料的突破性研究，题为《Integrated polyanion-layered oxide cathodes enabling 100,000 cycle life for sodium-ion batteries》，第一作者是南方科技大学的邹支宇，慕永彪。该研究首次设计并构建了一种集成聚阴离子-层状氧化物异质结构正极材料（NVFP–VO），在100C高倍率下实现了超过10万次循环，容量保持率高达72.6%，创下聚阴离子型正极材料的循环寿命纪录。

值得关注的是，为了阐明复合正极中增强的电极动力学、电导率和机械稳定性的机制，作者采用多物理场仿真模拟分析了电极中的离子浓度分布、钠离子嵌入诱导的应力/应变积累和电极电流密度分布。在模拟之前，采用了单颗粒压碎试验（SPFT系列，IEST）和粉末电导率测试（PRCD系列，IEST）对所有材料的杨氏模量和电导率等物性参数进行了测量，活性材料本身固有的力学行为和物性参数在材料的研究中关键表征及仿真数据起到了重要的支撑作用。

该期刊文章的发表也再次为元能科技（IEST）的SPFT系列单颗粒力学性能测试系统及PRCD系列粉末电阻率&压实密度仪在高水平科研中的深入应用提供了典型范例，更是进一步提升了国产设备在国际方面的影响力！

01 研究背景：钠离子电池的瓶颈与机遇

钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉，在储能与低速电动车领域展现出广阔前景。然而，其主流聚阴离子型正极材料（如Na₃V₂(PO₄)₃）面临电子导电性差、比容量低、反应动力学缓慢等挑战，严重制约其实际应用。如何在提升能量密度的同时实现超长循环寿命，成为当前研究的核心难题。

02 材料设计突破：异质结构+多相集成

研究团队创新性地提出一种聚阴离子-层状氧化物集成正极，通过原位合成构建了Na3.5V1.5Fe0.5(PO₄)₃（NVFP）与V₂O₃（VO）的共生双相异质结构，并嵌入多孔碳骨架中。该设计的核心优势包括：

Fe掺杂：降低材料带隙，激活V⁴⁺/V⁵⁺氧化还原对，提升导电性与容量；

V₂O₃相：作为低应变稳定剂，缓冲体积变化，增强结构稳定性；

多孔碳框架：提升电子传导能力，适应循环过程中的体积波动；

异质界面效应：促进电荷重新分布，构建内建电场，加速离子/电子传输；

电化学性能：创纪录的循环寿命与高倍率性能。

图1. 共生异质结正极的结构表征

该NVFP–VO正极在半电池中表现出卓越的综合性能：

✅ 高可逆容量：在0.1C下达到130 mA h g⁻¹以上；

✅ 超高倍率性能：在100C下仍保持约60%的容量；

✅ 超长循环寿命：在100C下循环10万次后，容量保持率仍达72.6%；

✅ 高能量密度：在0.1C下估算能量密度达403.2 W h kg⁻¹。

此外，组装的Ah级软包全电池也展现出153.4 W h kg⁻¹的能量密度和超过500次循环的稳定性能。

图2. 复合正极的电化学评估

03 机理深度解析：多手段联用揭示协同效应

为阐明性能提升的内在机制，研究团队综合利用：

原位XRD：揭示充放电过程中结构的可逆演变与VO的赝电容行为；

球差校正TEM：直观呈现NVFP与VO的共生界面；

PRCD电阻率&压实密度：材料电导率物性表征；

SPFT单颗粒压溃：材料固有力学性能评估；

XANES/EXAFS：追踪V与Fe的价态变化与局部结构演化；

DFT计算：证实Fe掺杂与异质界面有效降低Na⁺迁移能垒；

COMSOL仿真：模拟离子浓度、应力分布与电流密度，验证结构稳定性。

图3. 单颗粒压溃测试和COMSOL多物理场模

04 总结与展望

本研究通过精巧的多相集成正极设计，成功将聚阴离子与层状氧化物两类主流正极材料的优势相结合，实现了高能量密度、快充能力与超长寿命的统一，为下一代钠离子电池的正极材料开发指明了新方向。

Zhang H , Dong J , Lu Y ,et al.Molten-salt-mediated crystal facet engineering for high-performance single-crystal nickel-rich cathode materials in lithium-ion batteries[J].Nano Energy, 2025, 142(PartA).DOI:10.1016/j.nanoen.2025.111177.

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