image: 该图展示了研究的核心贡献：揭示了高熵正极材料的合成机制，显著提升了高通量筛选的迭代速率，实现了公斤级规模化生产，并展现出破纪录的倍率性能。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
基于化学工程的理论与方法指导材料制备与加工过程，进而发展以新材料为基础的新型化工单元技术与理论，是材料化学工程领域的核心目标。其中，高熵氟磷酸盐正极材料因其优异的电化学活性被认为是实现钠离子电池规模化储能国家重大需求的关键战略材料。然而，大规模合成高相纯度高熵氟磷酸盐正极材料仍然是该领域的卡脖子难题。传统间歇釜式反应器反应条件优化的迭代效率低，使得大规模合成高熵氟磷酸盐正极材料的相纯度低和倍率性能差，很难满足钠离子电池的规模化储能应用。因此，如何开发高通量优化新策略和大规模合成新方法，实现高相纯度高熵氟磷酸盐正极材料的大规模合成，对高倍率钠离子电池的规模化储能应用至关重要，同时也是材料化学工程领域的研究前沿。
针对上述难题，清华大学化学工程系徐建鸿教授联合河北工业大学化工学院吴兴江教授，提出了一种微流控高通量优化策略助力高相纯度高熵氟磷酸盐正极材料的规模化生产。该工作通过设计微流控原位拉曼光谱仪，实现了对高熵氟磷酸盐正极材料的反应条件的高通量优化。基于高通量优化的理论指导，开发微流控喷雾干燥技术，实现了高相纯度高熵氟磷酸盐正极材料的大规模合成，在钠离子电池中展现破纪录的倍率容量。
研究团队设计开发了微流控原位拉曼光谱设备，通过精确调控并原位监测Na3V1.9(Ca, Mg, Zr, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3的成核生长过程，实现了反应条件的高通量优化，其迭代效率是传统间歇釜式反应器的400倍。基于高通量优化的理论指导，开发微流控喷雾干燥合成工艺，实现高相纯度Na3V1.9(Ca, Mg, Zr, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3的公斤级快速合成。该技术能够拓展到合成不同类型高相纯度高熵氟磷酸盐正极材料，证明具有较高的普适性。
高相纯度能够确保高熵氟磷酸盐正极材料具有稳定的多电子转移、优异的Na+扩散动力学和坚固的结构韧性，使得其在充放电过程中展现可逆的相转变和可忽略的体积扩张/收缩。因此，以Na3V1.9(Ca, Mg, Zr, Mn, Cr)0.1(PO4)2F3为例，其在钠离子电池中呈现较大的比容量(0.5 C下121.8 mAh g-1 )、破纪录的倍率性能(50 C 下108.6 mAh g-1)、较高的能量密度(371.9 Wh kg-1)和持久的循环稳定性(大电流密度条件下500次循环后容量保留率为86%)。值得注意的是，该倍率性能远高于传统间歇釜式反应器制备的钠离子电池正极材料，如过渡金属层状氧化物、聚阴离子复合物和普鲁士蓝等。同时，该工作也为高熵氟磷酸盐材料及其他高熵能源材料的合成设计、快速筛选与规模化制备提供了全新的理论思路和强有力的技术工具。
清华大学化学工程系徐建鸿教授和河北工业大学化工学院吴兴江教授为论文通讯作者，清华大学化学工程系博士生田植诚和博士生周元政为论文第一作者。