目前,全球能源结构正在加速转型,“双碳”目标正在深入推进。大规模储能技术已成为支持可再生能源高效利用和构建智能电网的核心要素。尽管锂离子电池主导了储能市场,但锂资源的日益稀缺和成本的上升严重限制了其可持续发展[[1], [2], [3], [4], [5]]。在此背景下,钠离子电池(SIBs)因其丰富的钠资源(地壳中占2.74%)、广泛的分布、低成本以及与锂离子电池相似的“摇椅”工作机制,被认为是最具前景的下一代电化学储能系统之一,适用于大规模应用[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。然而,钠离子的较大离子半径(1.02 ? vs. Li?的0.76 ?)导致电极材料中的扩散动力学缓慢,反复的(脱)嵌入容易引起显著的体积应变,从而限制了钠离子电池电极材料的倍率性能和长循环寿命。因此,开发具有优异结构稳定性和快速离子传导能力的电极材料是推动钠离子电池商业化的关键挑战[[12], [13], [14]]。
在众多候选正极材料中,聚阴离子化合物因其稳定的三维框架结构、可调的工作电压和良好的热稳定性而受到高度重视[[15], [16], [17], [18]]。其中,钠钒氟磷酸盐(Na?V?(PO?)?F?, NVPF)作为一种典型的NASICON结构材料脱颖而出。NVPF具有许多显著优势:高工作电压、相当的理论比容量(约128 mAh g?1)以及由[V?(PO?)?F?]3?聚阴离子单元通过PO?四面体连接形成的坚固三维框架,为Na?提供了广阔的扩散通道。同时,其低体积应变也确保了良好的循环稳定性[19]。然而,NVPF固有的低电子导电性、缓慢的钠离子扩散动力学以及循环过程中的潜在结构不稳定性严重限制了其高倍率性能[20]。尽管传统的改性策略如碳涂层和单元素掺杂可以部分改善导电性,但它们对离子扩散通道的优化效果有限,且难以同时解决结构稳定性和界面动力学的问题[21,22]。
高熵(HE)策略在材料科学领域展现了突破潜力[[23], [24], [25], [26]]。例如,Fu等人[24]通过高熵掺杂成功合成了Na?V?.?(Mg, Cr, Al, Mo, Nb)?.?(PO?)?F?。在5C速率下经过800次循环后,该材料表现出优异的性能提升:不仅显著提高了Na?的扩散系数和容量保持率(容量仅下降了17%),还有效抑制了低电压区域的副反应。同样,Yao等人[27]通过比较中等熵和高熵正极材料的结构和电化学性质,深入探讨了性能提升与熵效应之间的内在关系。表S1展示了各种正极材料的倍率性能比较。受这些研究的启发,本研究将高熵概念引入NVPF体系。我们旨在通过将多种过渡金属(如Ti、Mg、Mn、Cr、Zr)掺入钒(V)位点来实现可控的晶格工程。这一策略有望拓宽Na?的传输通道,降低迁移能垒,增强结构刚性以减轻充放电过程中的体积应力,并优化电极/电解质界面的离子扩散动力学。然而,关于钠离子电池正极的高熵设计研究仍处于初级阶段,尤其是对于NVPF体系[28,29]。为填补这一空白,本研究专注于设计和合成高熵改性的钠钒氟磷酸盐(NVPF)正极材料。我们成功制备了高熵掺杂的NVPF(NVPF-HE),并通过理论计算系统阐明了HE掺杂引起的晶格畸变、界面调制和动力学优化的机制。这项工作旨在为开发高能量密度、长循环寿命的钠离子电池提供新的见解。