通过石墨化拓扑界面解耦 Na3VCr(PO4)3 正极的高压不稳定性构筑宽温钠离子电池

【研究背景】

随着钠离子电池在规模储能领域的快速发展，高电压、高能量密度正极材料成为研究热点。其中，NASICON型聚阴离子正极材料Na₃VCr(PO₄)₃（NVCP）兼具高工作电压、高理论容量，是一种有前途的高压正极材料。然而，该材料在高电压深度脱钠过程时，其固有的结构优势可能转变为界面缺陷，容易出现界面副反应加剧、CEI膜不均匀增厚、离子传输受阻和晶格结构畸变等问题，导致电极极化增大、容量快速衰减，尤其在极端温度下更为明显。传统碳包覆策略多以“物理隔离”为主，难以主动调控CEI的形成过程，导致界面阻抗升高、容量快速衰减。因此，亟需一种既能稳定体相结构，又能主动诱导CEI生长的新型界面工程策略。

【文章简介】

近日，来自福建师范大学陈登龙教授与东北师范大学吴兴隆教授合作，在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Decoupling High-Voltage Instability of Na3VCr(PO4)3 Cathodes via a Graphitized Topological Interface for Wide-Temperature Sodium-Ion Batteries”的研究文章，提出了一种创新的石墨化拓扑界面（GTI）策略。该策略不仅在材料颗粒表面构建了三维连续石墨化网络，提升电子/离子传输能力，还通过选择性吸附电解液组分，主动诱导形成薄、均匀、富无机的CEI层。同时，GTI策略还能抑制过渡金属溶出，缓解晶格畸变，稳定体相结构。得益于这种“界面主动诱导+体相结构支撑”的双重稳定机制，NVCP-GTI正极在宽温域范围内展现出优异的电化学性能。

【本文要点】

要点一：石墨化拓扑界面的设计与结构表征

研究团队通过优化碳包覆工艺，在NVCP颗粒表面构筑了厚度约2 nm、连续且高度石墨化的碳层。Raman光谱显示，NVCP-GTI的ID/IG比值（0.6580）显著低于未改性NVCP（1.0525），表明其碳层具有更高的石墨化程度和更有序的碳微结构。XPS分析证实，碳层中C-C sp2键占据主导地位，确保了优异的导电性能。这一精心设计的界面结构，为后续电子/离子的快速传输奠定了坚实基础。

要点二：实现电子和离子双重快速传输

GTI策略的核心突破在于同时打通了电子和离子的快速传输通道。酸处理后残留的三维连续碳骨架，直观证明了贯穿颗粒间的电子通道，不仅降低了电荷转移阻抗，还在循环过程中提供机械支撑，缓解深度脱钠引起的晶格应力与结构畸变。同时，动力学测试结果表明GTI策略显著提高了Na+扩散系数并减低极化，原位EIS分析进一步证实，界面阻抗被有效降低，反应动力学显著加速。

要点三：主动诱导CEI层的形成机制

GTI策略实现了界面调控范式的根本转变，从被动阻挡电解液升级为主动诱导CEI定向生长。循环后的TEM、XPS以及DFT理论计算表明NVCP-GTI能够诱导FEC的优先分解，形成富含Na-F无机组分且薄而均匀的CEI层，实现主动调控界面化学过程，降低副反应和界面阻抗。

要点四：GTI策略赋能宽温域稳定运行及实用化验证

得益于GTI策略构筑的薄而稳定的CEI层，NVCP-GTI在极端温度下依然表现优异。在4.6V的高压下，室温下在1000次的长循环中仍维持70%以上的容量。即使在-40 °C的严寒环境中，电池仍可保持室温容量的74%以上， 50 °C高温下，容量达86.1 mAh g-1。此外，组装的NVCP-GTI//HC全电池在5C下循环500次后仍保持稳定，验证了其实际应用潜力。

参考文献

Decoupling High-Voltage Instability of Na3VCr(PO4)3 Cathodes via a Graphitized Topological Interface for Wide-Temperature Sodium-Ion Batteries”

https://doi.org/10.1002/adfm.76219

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