近日，中国科学技术大学教授姚宏斌、焦淑红课题组合作开发出一种应用于全固态钠电池的高可变形性和低成本的新型钠电氯化物正极材料NaFeCl4，有效解决了传统氧化物正极在循环过程中面临的接触失效问题，并揭示了NaFeCl4在充放电过程中的相变过程以及结构可逆性。9月18日，相关研究成果发表于《美国化学会杂志》。
采用无机固体电解质和3.5伏级正极的全固态钠电池在高安全和高比能的低成本电化学储能方面具有重要意义。但是在全固态正极中，目前常用的层状氧化物正极，因自身刚性较强且循环过程中产生巨大晶格应变，易导致活性颗粒内部开裂和正极/电解质接触失效，进而引发不可逆容量损失。
研究人员发现，铁-氯键在所有过渡金属-氯双原子分子中具有最低的键解离能，这意味着选择铁作为氧化还原活性元素更有可能构筑高可变形性正极。在此基础上，研究人员成功合成了NaFeCl4，并发现冷压成型的NaFeCl4杨氏模量仅为1.33吉帕，并具有极高的致密度，有利于固态电池复合正极内部良好的固固接触。
研究人员通过X射线衍射和X射线光电子能谱等测试深入探究了NaFeCl4正极在循环过程中的结构可逆性以及其独特的两阶段相变原理，并揭示了NaFeCl4嵌入钠离子之后产生的三种主要结构。除此之外，通过原子力显微镜和聚焦离子束加工的扫描电子显微镜测试表明，NaFeCl4复合正极在不同荷电状态下的模量均处于2至3吉帕之间，使得复合正极内部在循环过程中始终保持无晶界、裂纹和孔隙的致密形貌。
得益于NaFeCl4的可变形性和结构可逆性，基于其组装的全固态钠电池在500次循环后仍能维持84.4%的容量保持率。令人欣喜的是，尽管成本仅为常用钠离子电池正极NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2的5.2%和Na3V2(PO4)3的5%，NaFeCl4仍能提供具有竞争力的能量密度，这表明该新型钠电氯化物正极不仅为解决全固态复合正极的接触失效问题提供了全新的材料策略，还在未来大规模低成本储能方面具有巨大的应用潜力。
相关论文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c06106
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