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鈉離子電池以其突出的電化學性能，低廉的價格被認為是最具吸引力的替代鋰離子電池成為下一代可持續(xù)和大規(guī)模電化學儲能系統(tǒng)的產(chǎn)品。在用于鈉離子電池的各種正極材料中，鐵基正極材料由于其豐富的原材料資源，低廉的價格，安全性和無毒特性，有望成為最適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)材料體系。
迄今為止，鐵基正極材料在層狀氧化物，聚陰離子化合物和普魯士藍類材料中已被廣泛應用，因此對鐵基正極材料的研究在鈉離子領(lǐng)域具有很重要的意義。
上海大學可持續(xù)能源研究院/理學院張久俊&趙玉峰教授課題組，基于近期相關(guān)工作和已有的文獻報道，系統(tǒng)綜述并展望了鐵基正極材料在鈉離子電池中的研究進程。
文章系統(tǒng)地總結(jié)了鐵基正極材料在層狀氧化物，聚陰離子化合物和普魯士藍材料應用研究。文章主要從不同類別鐵基正極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、合成方法、電化學行為以及相應的電荷存儲機制等方面進行了總結(jié)。
此外，文章還首次總結(jié)了Na-free鐵基正極材料在鈉離子電池正極中的應用。該綜述對不同類別鐵基正極材料的應用前景進行了系統(tǒng)的展望。其中層狀氧化物中O3型鐵基氧化物因具有更高的放電比容量和工作電壓平臺相對于P2相層狀氧化物具有更高的商業(yè)化前景，但O3型氧化物在充放電過程會經(jīng)歷復雜的相變，這在一定程度上阻礙了其商業(yè)化的進程。聚陰離子型鐵基材料具有較為穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，導致其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性，其中具有NASICON結(jié)構(gòu)的Na3Fe2(PO4)3在0.1 C時可提供100 mAh g-1的比容量,在2.5 V處具有非常平坦的平臺。NASICON結(jié)構(gòu)的Na3Fe2(PO4)3具有和商業(yè)化LiFePO4很類似的電化學性，且具有出色的循環(huán)性能，經(jīng)過500圈循環(huán)仍可以保持90%的容量保持率，非常適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)。此外，普魯士藍藍類鐵基材料Na2Fe[Fe(CN)6]具有約500 Wh/kg的比能量（相對于金屬鈉負極），這與Li/LiFePO4的比能量已經(jīng)十分接近，具有非常潛在的應用價值。隨著5G全球市場的迅速擴展，5G基站的能耗也將是十分巨大的，傳統(tǒng)鉛酸蓄電池愈發(fā)不能滿足5G基站的能耗，而這些具有商業(yè)化前景的鐵基鈉離子電池在未來有望取代鉛酸蓄電池成為5G基站主流的供電系統(tǒng)。該綜述為鐵基正極材料在鈉離子電池中的實際應用提供了指導性的策略。對鐵基正極材料的商業(yè)化前景做了系統(tǒng)的分析。
相關(guān)論文以Progress and Application Prospects in Advanced and Cost-effective Iron (Fe)-based Cathode Materials for Sodium-ion Batteries為題目在線發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A上，第一作者為可持續(xù)能源研究院/上海大學環(huán)境與化學工程學院博士生王軒，通訊作者為上海大學可持續(xù)能源研究院/理學院趙玉峰和張久俊教授。