鈉離子電池因其鈉資源豐富、成本低廉和環(huán)境友好等優(yōu)點，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域備受關(guān)注。其中，聚陰離子型Na?V?(PO?)?（NVP）正極材料因其高鈉容量和良好離子導(dǎo)率被視為潛力候選。然而，其本征電子導(dǎo)率低、循環(huán)穩(wěn)定性差、低溫性能不足等問題嚴重限制了實際應(yīng)用。目前改進策略主要包括碳包覆、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與離子摻雜等，但如何高效、低損耗地合成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、動力學(xué)優(yōu)異的NVP基正極仍是材料制備領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

近日，山西大學(xué)趙云副教授團隊在Chemical Physics Letters期刊發(fā)表題為“Flash fabrication of Ti-doped Na?V?(PO?)? single-crystals with boosted sodium storage and low-temperature performance”的研究論文。本研究采用閃蒸焦耳加熱（FJH）技術(shù)，在1000℃、90 s的極短時間內(nèi)成功制備了Ti摻雜NVP單晶復(fù)合材料（F-NVTP/C-0.7）。與傳統(tǒng)爐燒樣品相比，F(xiàn)JH工藝促使材料形成更小粒徑、更薄碳層及更高Ti保留量的單晶結(jié)構(gòu)，從而顯著提升了電子與離子傳輸動力學(xué)。電化學(xué)測試表明，該材料在長循環(huán)（5000次）及低溫（-20℃）條件下均表現(xiàn)出優(yōu)越的鈉存儲性能，其性能提升機制通過系統(tǒng)的動力學(xué)與原位結(jié)構(gòu)表征得到揭示。

圖1：F-NVTP/C-0.7的結(jié)構(gòu)與形貌表征

通過XRD譜圖（圖1a）可見，F(xiàn)JH樣品保持Na?TiV(PO?)?標準晶體結(jié)構(gòu)，但衍射峰強度降低，結(jié)合Scherrer公式計算表明晶體尺寸減?。ū鞸1）。Rietveld精修結(jié)果（圖1b）顯示晶胞參數(shù)與體積略有增大，有利于Na?擴散。XPS分析（圖1c）證實F-NVTP/C-0.7中Ti3?與Ti??共存且含量更高，有利于電荷補償與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。TGA（圖1d）與Raman（圖1e）表明碳含量更高且碳層缺陷更豐富，有助于提升導(dǎo)電性。N?吸脫附測試（圖1f）顯示其具有介孔結(jié)構(gòu)且比表面積較低，有利于電解液滲透并減少副反應(yīng)。SEM與HRTEM圖像（圖1g-i）直觀顯示FJH樣品顆粒更小、碳層更?。▇8.9 nm），SAED與HRTEM進一步證實其單晶特征，而傳統(tǒng)樣品為多晶態(tài)。HAADF-STEM與元素分布圖（圖1j）證明各元素在材料中均勻分布。

圖2：F-NVTP/C-0.7的電化學(xué)性能

恒流充放電曲線（圖2a）顯示F-NVTP/C-0.7在0.1C下具有125 mAh g?1的可逆容量，與傳統(tǒng)樣品相當。倍率性能（圖2b）表明在20C高倍率下仍可釋放55 mAh g?1，遠超對照樣品（22 mAh g?1）。循環(huán)穩(wěn)定性測試（圖2c,e）顯示其在0.5C下200次循環(huán)后容量保持率達93.2%，在2.5C下經(jīng)5000次循環(huán)仍保持70.5%容量，遠優(yōu)于對照樣品。低溫性能（圖2d）顯示在-20℃下仍具有97.4 mAh g?1的高容量，且倍率恢復(fù)性能良好，表明其具有優(yōu)異的低溫適應(yīng)性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3：動力學(xué)行為分析

通過變掃速CV（圖3a,b）計算得出的b值及電容貢獻比例顯示，F(xiàn)-NVTP/C-0.7具有更高的贗電容貢獻，有利于快速電荷存儲。EIS圖譜（圖3c）擬合表明其電荷轉(zhuǎn)移電阻更低，Na?擴散系數(shù)更高（4.99×10?13 cm2 s?1）。GITT測試（圖3d）進一步證實其在充放電過程中Na?擴散系數(shù)整體高于對照樣品近三個數(shù)量級，表明離子傳輸動力學(xué)顯著提升。

圖4：原位XRD與結(jié)構(gòu)演變分析

原位XRD測試（圖4a）顯示充放電過程中衍射峰位置可逆移動，表明材料經(jīng)歷固溶體相變且結(jié)構(gòu)高度可逆。晶胞參數(shù)變化分析（圖4b,c）表明F-NVTP/C-0.7在鈉脫嵌過程中的體積變化率僅為1.1%，遠低于對照樣品的4.6%，說明Ti摻雜與單晶結(jié)構(gòu)有效抑制了體積效應(yīng)，提升了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

總之，本研究通過閃蒸焦耳加熱技術(shù)，成功構(gòu)建了Ti摻雜、碳包覆的NVP單晶正極材料（F-NVTP/C-0.7）。該策略通過極快升降溫與短時燒結(jié)，實現(xiàn)了小粒徑、薄碳層與高Ti保留量的單晶結(jié)構(gòu)構(gòu)筑。機制上，Ti摻雜提升本征電導(dǎo)、引入混合價態(tài)Ti3?/Ti??與氧空位，協(xié)同促進了電子/離子傳輸；單晶結(jié)構(gòu)減少晶界阻抗、抑制副反應(yīng)，并顯著緩解體積膨脹。性能方面，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能、長循環(huán)穩(wěn)定性（5000次循環(huán)保持70.5%）與突出低溫適應(yīng)性（-20℃容量達97.4 mAh g?1）。該研究為高效、節(jié)能制備高性能鈉電正極提供了新思路，尤其適用于高功率、寬溫域儲能場景。未來可探索該閃燒工藝在其他聚陰離子或?qū)訝钫龢O體系中的普適性，并推進其在全電池中的實際應(yīng)用評估。

Flash fabrication of Ti-doped Na3V2(PO4)3 single-crystals with boosted sodium storage and low-temperature performance. Chemical Physics Letters, Volume 885, 2026, 142604, ISSN 0009-2614. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2025.142604.

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