Carbon Energy

研 究 背 景

钠离子电池（SIBs）因其钠资源丰富、溶剂化能低且成本效益显著，已成为下一代大规模储能系统的理想候选者。在众多正极材料中，钒基磷酸盐正极材料凭借其高工作电压、优异的热稳定性和出色的循环性能尤为突出。然而这类材料仍面临反应动力学迟缓、钒元素毒性以及本征电子导电性差等重大挑战。为突破这些局限并提升电化学性能，研究者已探索了多种策略，包括通过不同合成路径调控材料形貌，以及通过金属掺杂优化电子结构，从而有效改善钠离子和电子在钒基磷酸盐正极中的扩散性能。

本综述系统梳理了钒基聚阴离子正极材料面临的挑战，深入探讨了形貌设计与源于金属掺杂的电子结构调控对性能提升的作用机理。重点解析了三大类钒基磷酸盐骨架体系：正磷酸盐（Na₃V₂(PO₄)₃）、焦磷酸盐（NaVP₂O₇、Na₂(VO)P₂O₇、Na₇V₃(P₂O₇)₄）及复合磷酸盐（Na₇V₄(P₂O₇)₄PO₄），着重阐述了其结构-性能关系研究的进展。通过形貌工程设计可有效优化材料结构、组分、孔隙率及离子/电子传输路径；而基于元素掺杂的电子结构调控则能精准调节能带结构、电荷分布、扩散势垒及本征电导率。针对钒基磷酸钠正极材料现存问题，本研究提出了可行性解决方案，并为高性能钒基聚阴离子正极的未来发展指明了研究方向。

成 果 介 绍

河北农大赵孝先&温大陈双强&燕大王龙刚&苏科大李春生等人全面总结了钒基聚阴离子正极材料面临的挑战，深入探讨了形貌设计与电子结构调控对性能提升的作用机理，并针对钒基磷酸盐正极材料现存挑战提出了可行的解决方案。该成果以“Regulation on Morphology and Electronic Structure Design of Vanadium-Based Sodium Phosphate Cathodes for High-Performance Sodium-Ion Batteries”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1.系统总结了钒基聚阴离子正极材料面临的挑战，深入探讨了形貌设计与电子结构调控对性能提升的作用机理。

2.回顾了基于形貌调控和金属离子掺杂用于改善钒基聚阴离子正极材料性能的研究进展，涉及材料的组成、孔隙率及离子/电子传输路径、能带结构、电荷分布及扩散势垒。

3.针对钒基聚阴离子正极材料所面临的挑战提出了解决策略和未来的发展方向。

图 文 解 析

图1 钠离子电池钒基磷酸盐正极材料通过形貌调控与金属掺杂的优势及提升其性能的作用机制示意图

图2 不同维度纳米材料的优点和缺点

图3 主要的3d过渡金属元素在钠离子电池中的特性、价格与丰度

图4 不同金属掺杂对钒基磷酸盐正极材料的影响总结

图5 近年来在钒基磷酸盐正极材料的形貌调控与金属掺杂方面工作总结及未来的发展

作者简介

赵孝先

河北农业大学太行学者三层次人才，教授，博士生导师。一直致力于无机多功能储能纳米材料的设计、合成及应用研究。主持结题河北省自然科学基金-面上项目一项，在研一项，河北省高等学校科学技术研究项目-青年拔尖人才计划项目一项，京津冀基础研究合作专项项目一项、国家青年科学基金项目一项。获得河北省自然科学二等奖一项（第一申请人）。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.（5）、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Energy Stor. Mater.（2）、J. Energy Chem.等高水平期刊发表论文50篇，其中第一作者和通讯作者论文34篇（近五年30篇），本科生一作2篇，引用次数2200余次，H因子26。申请专利6项，授权发明专利3项。指导本科生参加“第七届中国国际互联网+大学生创新创业大赛”获得国家铜奖。中国化学会会员、中国颗粒学会会员、出任中国能源学会能源组专家副主任、《稀有金属》青年编委（2023年被评为优秀青年编委）、Advanced Powder Materials 青工委、《燕山大学学报》青年编委、Rare Metals 和Carbon Neutralization 青年编委、Materials 期刊客座编辑。

陈双强

教授、博导，博士毕业于悉尼科技大学，现就职于温州大学化学与材料工程学院，兼上海大学环境与化学工程学院。主要研究方向为功能化碳材料与有机/无机复合材料的结构设计、理论计算与高通量制备、原位表征技术开发及其在宽温域、低成本、高安全锂/钠离子电池方面的应用。迄今，共获发明专利授权4项，以第一或通讯作者身份在高水平国际期刊上发表SCI论文100余篇，如：Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano 等，被引次数超过10000次，h指数54；4次入选全球前2%顶尖科学家榜单。撰写专业教材1本：《碱金属电池关键材料基础与应用》（2021年，化学工业出版社）。受到德国洪堡基金、国家自然科学基金、上海市教委、浙江省公益基金等多项基金的资助，担任多个知名SCI期刊青年编委，如：InfoMat，Nano-Micro Letters，Battery Energy 和Chinese Chemical Letters 等，并担任二十多种知名学术期刊的审稿人，如：Adv. Mater.、 Nano Lett.、 ACS Nano、 Chem. Eng. J.、InfoMat、Nano-Micro Lett.等。多次受邀在国内外学术会议上作邀请报告。

王龙刚

现任燕山大学环境与化学工程学院副教授、硕士生导师、博士生导师。主要从事纳米药物、生物传感器、纳米催化剂和电化学等相关领域的研究工作。主持多项省部级项目和企业课题。以第一作者或者通讯作者在Angewandte Chemie International Edition、Energy Storage Materials、Carbon Energy、Biosensors and Bioelectronics、ACS Applied Materials & Interfaces 等SCI收录期刊发表50多篇论文，含高被引论文5篇，授权发明专利项目10项。

李春生

分别于2007年和2010年在南开大学新能源材料化学研究所（中国天津）获得硕士和博士学位。现就职于苏州科技大学，主要从事锂离子电池、超级电容器和金属空气电池（镁空气电池、锌空气电池和铝空气电池）的先进应用纳米结构材料的研究，并在Adv. Energy Mater., Nano Res., Adv. Sci., Chem. Eng. J., Small, Composites, Part B.等SCI收录期刊发表60多篇SCI论文。

齐欣然

燕山大学2022级硕士研究生，导师为王龙刚教授，联合导师为河北农业大学赵孝先教授。主要研究方向为聚阴离子型钠离子电池先进材料的设计与合成，开发具有低成本高性能兼具实用型钠离子电池正极材料。迄今，在Angewandte Chemie International Edition、Energy Storage Materials、Carbon Energy、Rare Metals、Chemical Engineering Journal 等国际高水平期刊上发表论文6篇，其中第一作者4篇，申请发明专利2项。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Regulation on Morphology and Electronic Structure Design of Vanadium-Based Sodium Phosphate Cathodes for High-Performance Sodium-Ion Batteries

文章研究方向：

储能材料— —钠离子电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70030

DOI: 10.1002/cey2.70030

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关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续三年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学一区期刊，连续四年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”、中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在年发文量增长30%的同时，期刊影响力持续攀升，所属四个学科类别全部稳居Q1区；排名持续提升，位列前3.2-4.3%，其中三个领域进入全球期刊前八名。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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