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文 章 信 息
铁基硫酸盐正极材料--基础研究到产业化
第一作者：石小燕
通讯作者：周洵竹*，李林*，侴术雷*
单位：温州大学
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研 究 背 景
电化学储能技术具有循环寿命长、维护成本低、运行无污染等优点，被认为是间歇性可再生清洁能源高效利用的理想选择。在已发现的电化学储能技术中，锂离子电具有能量密度高、循环稳定性优异的优点，在便携式电子设备和电动汽车领域得到了广泛应用。然而，锂资源有限且分布不均匀，不可避免地阻碍了其在大规模储能系统中的应用。因此，迫切需要开发电池新技术，如钠离子电池(SIB)、钾离子电池、镁离子电池、钙离子电池、锌离子电池、铝离子电池等。SIB具有优越的综合性能，是LIB在大型储能系统中很有应用前景的补充技术。正极材料作为电池的关键组成部分，与电化学性能和成本密切相关。然而，较大的Na+半径在充放电过程中会引起巨大的体积变化，导致较差的钠离子的存储性能。同时，目前报道的正极材料大多含有Ni、Co和V元素，成本较高，限制了其商业化应用。因此，迫切需要合理设计结构稳定、成本低廉的先进钠离子电池正极材料。在已报道的钠离子电池正极材料中，铁基硫酸盐聚阴离子化合物成本低廉、工作电压平台高（约3.8 V）、结构稳定，因而受到了广泛关注。
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文 章 简 介
近日，温州大学侴术雷教授、李林特聘教授、周洵竹博士在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Polyanion-type iron-based sulfate cathode materials: from fundamental research to industrialization”的综述。该综述首先概述了铁基硫酸盐正极材料的发展历史和最新进展，随后总结了目前钠离子电池铁基硫酸盐聚阴离子正极材料的产业化进展。最后全面总结了铁基硫酸盐的改性策略以及未来的发展方向。
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本 文 要 点
要点一：基础研究进展
该综述系统地讨论了目前已有的各个类型的铁基硫酸盐聚阴离子化合物的电化学性能以及最新研究进展，同时还总结了针对铁基硫酸盐正极材料存在的问题以及所采取的强有力的改性方法。目前，铁基硫酸盐化合物具有固有导电性差、空气稳定性低等问题，其发展受到明显限制。为了进一步开发高性能铁基硫酸盐正极材料，研究人员采取了许多优化策略：（1）形貌设计，可以缩短离子扩散距离，加速电子转移，减轻充放电过程中的体积变化。（2）与碳材料的杂化，不仅提高了铁基硫酸盐正极材料的电子导电性，而且改善了空气稳定性。（3）异质结构的构建，可以结合两种材料的优点，提高材料的整体性能。
图1. 聚阴离子型铁基硫酸盐正极材料的优化策略。
要点二：产业化进程
目前，各家公司都在致力于推动钠离子电池的商业应用，并已成功地在储能领域实现了示范应用。江苏众钠能源科技有限公司成立于2021年1月，探索了一种高效环保的硫酸盐铁基正极材料制备方法，原材料利用率达到100%，并成功构建了全球领先的硫酸盐铁基电化学体系。2022年，众钠建成第一条年产100吨的铁基硫酸盐正极生产线。此外，基于铁基硫酸盐正极的钠离子电池已成功通过第三方测试机构的安全测试，显示出实际应用的巨大潜力。2023年4月，发布基于铁基硫酸盐的钠离子电池聚钠1号，展示了较高的能量密度（超过122 Wh/kg）、优异的循环稳定性（超过1500次循环）及良好的温度耐受性（在-20至55℃之间稳定工作）。近期，华友钴业实现了全球首次铁基硫酸盐前驱体的量产，年产量达到3600吨。此外，珈钠、华钠、英钠也正在进行铁基硫酸钠的研发，具有较强的技术基础。
图2. 铁基硫酸盐聚阴离子正极材料的产业化发展。
要点三：未来发展方向
目前对铁基硫酸盐的了解和研究仍然有限，因此为了满足对先进SIB的需求，我们建议未来对硫酸铁基正极材料的进一步研究应集中在以下几个方面：（1）借助先进的表征技术和理论计算，了解空气劣化机制，对于合理设计空气稳定的硫酸盐铁基正极材料具有重要意义。（2）截止电压与铁基硫酸盐正极材料的可逆容量密切相关。为了提高铁基硫酸盐正极材料的能量密度，迫切需要探索一种高电压电解液。（3）报道的提高钠储存性能的策略是有限的，有必要进一步开发一些简单有效的改性策略。（4）在基础研究方面，铁基硫酸盐正极材料用于SIB的潜力一般以半电池和纽扣电池来评估，应进一步在全电池和软包电池中进行论证。（5）在产业化方面，开发高效、低成本的铁基硫酸盐正极材料大规模绿色制备技术，对促进其商业化应用具有重要意义。
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文 章 链 接
Polyanion-type iron-based sulfate cathode materials: from fundamental research to industrialization
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829725000509
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通 讯 作 者 简 介
周洵竹，安徽省高端人才引育行动-青年拔尖人才青年学者入选者。主要从事电极-电解液界面行为研究，在溶剂化构型表征及界面反应机理研究中取得部分重要进展。迄今为止，以通讯作者和第一作者在国际权威期刊发表15篇SCI论文，包括1篇Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.、5篇Angew. Chem. Int. Ed.、2篇ACS Energy Lett.、1篇Adv. Funct. Mater.、1篇Energy Storge Mater.，并作为共同作者发表学术论文22篇，其中5篇入选“ESI高被引论文”。申请中国发明专利5项。主持国家自然科学基金青年项目一项，中国博士后科学基金一项，安徽省自然科学基金青年项目一项。多次参加国内外学术会议并受邀做分会报告，并担任eScience、Carbon Neutralization、Energy Lab、Exploration期刊青年编委。
李林，温州大学瓯江特聘教授，温州大学碳中和技术创新研究院副院长，、院科协主席，浙江省科协青年人才托举培养项目、温州市高层次人才计划入选者。主要从事二次电池关键电极材料和电解液的研发，目前已发表SCI论文90余篇，其中高被引论文18篇，热点论文3篇，总被引7400余次，H-index为40；以第一/共一/通讯作者身份在Natl. Sci. Rev.、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.、Angew. Chem. Int. Ed.（10）、Adv. Mater. (2)、Joule、ACS Nano、ACS Energy Lett.（2）、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.（6）、Energy Storge Mater.等国内外权威学术期刊发表论文40余篇。申请国家发明专利15项，获授权专利1项。主持国家自然科学基金青年项目等项目9项，作为核心成员参与浙江省“KP”计划等项目7项。参与编制《钠离子电池用有机电解液》等团体标准4项，现为eScience、Carbon Energy、Materials Chemistry Frontiers、Nano Research、Advanced Powder Materials、Nano Materials Science、EcoEnergy期刊青年编委以及Batteries期刊客座编辑。
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第 一 作 者 简 介
石小燕：温州大学化学与材料工程学院硕士研究生。主要研究方向为钠离子电池的先进电极材料和电解液的设计与合成。
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课 题 组 招 聘
侴术雷/李林课题组长期招收材料合成和电化学相关背景的研究生和博士后（博后待遇优厚，综合年薪40-50万），欢迎有意者将个人简历、反映本人学术水平的代表性成果等文档发送至linli@wzu.edu.cn，并注明：应聘温大碳中和研究院研究生/博士后-XXX（姓名）
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