清華新聞網(wǎng)3月31日電 基于化學(xué)工程的理論與方法指導(dǎo)材料制備與加工過(guò)程，進(jìn)而發(fā)展以新材料為基礎(chǔ)的新型化工單元技術(shù)與理論，是材料化學(xué)工程領(lǐng)域的核心目標(biāo)。其中，高熵氟磷酸鹽正極材料因其優(yōu)異的電化學(xué)活性被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)鈉離子電池規(guī)?；瘍?chǔ)能?chē)?guó)家重大需求的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。然而，大規(guī)模合成高相純度高熵氟磷酸鹽正極材料仍然是該領(lǐng)域的卡脖子難題。傳統(tǒng)間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)條件優(yōu)化的迭代效率低，使得大規(guī)模合成高熵氟磷酸鹽正極材料的相純度低、倍率性能差，難以滿(mǎn)足鈉離子電池的規(guī)?；瘍?chǔ)能應(yīng)用。如何開(kāi)發(fā)高通量?jī)?yōu)化新策略和大規(guī)模合成新方法，實(shí)現(xiàn)高相純度高熵氟磷酸鹽正極材料的大規(guī)模合成，對(duì)高倍率鈉離子電池的規(guī)模化儲(chǔ)能應(yīng)用至關(guān)重要，同時(shí)也成為材料化學(xué)工程領(lǐng)域的研究前沿。
針對(duì)上述難題，清華大學(xué)化學(xué)工程系徐建鴻教授課題組聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院吳興江教授團(tuán)隊(duì)，提出了一種微流控高通量?jī)?yōu)化策略助力高相純度高熵氟磷酸鹽正極材料的規(guī)模化生產(chǎn)方式。該工作通過(guò)設(shè)計(jì)微流控原位拉曼光譜儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高熵氟磷酸鹽正極材料的反應(yīng)條件的高通量?jī)?yōu)化?；诟咄?jī)?yōu)化的理論指導(dǎo)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)微流控噴霧干燥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高相純度高熵氟磷酸鹽正極材料的大規(guī)模合成，在鈉離子電池中展現(xiàn)破紀(jì)錄的倍率容量。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了微流控原位拉曼光譜設(shè)備，通過(guò)精確調(diào)控并原位監(jiān)測(cè)Na3V1.9(Ca, Mg, Zr, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3的成核生長(zhǎng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)條件的高通量?jī)?yōu)化，其迭代效率是傳統(tǒng)間歇釜式反應(yīng)器的400倍?；诟咄?jī)?yōu)化的理論指導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)微流控噴霧干燥合成工藝，實(shí)現(xiàn)高相純度Na3V1.9(Ca, Mg, Zr, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3的公斤級(jí)快速合成。該技術(shù)能夠拓展到合成不同類(lèi)型高相純度高熵氟磷酸鹽正極材料，如：Na3V1.9(Mg, Zr, Co, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3, Na3V1.9(Zr, Ca, Fe, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3, Na3V1.9(Mg, Ca, Ni, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3, Na3V1.9(Zr, Cu, Mg, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3和Na3V1.9(Ga, Zr, Ca, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3等，證明具有較高的普適性。
實(shí)現(xiàn)高熵氟磷酸釩鈉規(guī)?；铣?，達(dá)到了破紀(jì)錄的倍率性能
高相純度能夠確保高熵氟磷酸鹽正極材料具有穩(wěn)定的多電子轉(zhuǎn)移、優(yōu)異的Na+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)韌性，使得其在充放電過(guò)程中展現(xiàn)可逆的相轉(zhuǎn)變和可忽略的體積擴(kuò)張/收縮。因此，以Na3V1.9(Ca, Mg, Zr, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3為例，其在鈉離子電池中呈現(xiàn)較大的比容量（0.5 C下121.8 mAh g-1）、破紀(jì)錄的倍率性能（50 C 下108.6 mAh g-1）、較高的能量密度（371.9 Wh kg-1）和持久的循環(huán)穩(wěn)定性（大電流密度條件下500次循環(huán)后容量保留率為86%）。值得注意的是，該倍率性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)間歇釜式反應(yīng)器制備的鈉離子電池正極材料，如過(guò)渡金屬層狀氧化物、聚陰離子復(fù)合物和普魯士藍(lán)等。同時(shí)，該工作也為高熵氟磷酸鹽材料及其他高熵能源材料的合成設(shè)計(jì)、快速篩選與規(guī)?；苽涮峁┝巳碌睦碚撍悸泛蛷?qiáng)有力的技術(shù)工具。
研究成果以“微流控高通量?jī)?yōu)化助力高相純度高熵氟磷酸鹽正極材料的規(guī)?；a(chǎn)”（Microfluidic High-Throughput Optimization Enables Scalable Synthesis of High-Entropy Fluorophosphate Cathode）為題，于3月27日發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）。
清華大學(xué)化學(xué)工程系教授徐建鴻和河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院教授吳興江為論文通訊作者，清華大學(xué)化學(xué)工程系2022級(jí)博士生田植誠(chéng)和2025級(jí)博士生周元政為論文第一作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwag195
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
