Fe2+/H+共嵌入化学驱动长寿命水系铁离子电池：Na3V2(PO4)3/C的结构优化与性能突破

为解决水系铁离子电池（AFIBs）中Fe2+扩散动力学差、循环寿命短的问题，研究人员通过Fe2+/H+共嵌入化学策略优化Na3V2(PO4)3/C正极材料。该材料在100 mA g?1下实现146.5 mAh g?1的高容量，并在1 A g?1下循环24,000次后容量保持率达85.1%。界面生成的FeOOH通过高效H+吸附协同促进Fe2+嵌入，为长寿命水系储能提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增，风电、潮汐能等可再生能源的大规模存储亟需低成本、高安全性的电池技术。尽管锂离子电池（LIBs）占据市场主导地位，但其高昂成本和有机电解液安全隐患限制了大规模应用。水系多价离子电池因安全性高、资源丰富成为研究热点，其中铁离子电池（AFIBs）凭借铁负极的高理论容量（960 mAh g^?1）和抗枝晶特性崭露头角。然而，Fe²⁺的高极化特性导致扩散动力学缓慢，严重制约了AFIBs的发展。

针对这一挑战，来自湖北省某研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，提出通过Fe²⁺/H⁺共嵌入化学策略优化NASICON结构的Na₃V₂(PO₄)₃/C（NVP/C）正极材料。研究人员采用球磨-高温烧结法制备碳包覆NVP，结合密度泛函理论（DFT）计算、原位拉曼光谱、非原位X射线衍射（XRD）等先进表征技术，揭示了FeOOH界面层通过质子吸附协同促进Fe²⁺嵌入的机制。

结果与讨论

1. 材料设计与结构表征
   NVP/C通过[V₂(PO₄)₃]多阴离子框架提供稳定扩散通道，VO₆八面体与PO₄四面体构成的NASICON结构经碳包覆后导电性显著提升。

2. 电化学性能突破
   在1 A g^?1高电流密度下循环24,000次后容量保持85.1%，远超传统水系锌离子电池（AZIBs）的循环寿命，归因于Fe²⁺/H⁺共嵌入对结构应力的缓冲作用。

3. 机制解析
   原位表征发现电极-电解质界面生成的FeOOH具有超强H⁺吸附能力，通过Grotthuss质子传导机制加速H⁺迁移，与Fe²⁺形成协同嵌入效应，使反应活化能降低42%。

结论与意义
该研究首次阐明AFIBs中Fe²⁺/H⁺共嵌入化学的原子级机制，为设计长寿命水系储能器件提供了新范式。NVP/C材料在保持146.5 mAh g^?1高容量的同时实现超2万次循环，其界面工程策略可拓展至其他多价离子电池体系。研究获湖北省重点研发计划（2022BAA027）等资助，相关技术已申请专利保护。