钠离子电池因其近乎取之不尽用之不竭的钠资源，被认为是大型储能装置的最优解决方法之一。其中，正极材料是组装全电池的重要一环，其性能优劣关于最终全电池的性能具有决定性的影响。同时，能量密度作为电极重要的评价标准之一，关于全电池的设计等均有重要影响。其次，基于材料成本的考量，铁锰基材料由于其地壳储量巨大，廉价易得，因此具有极其重要的研究价值和工业应用前景。聚阴离子型材料与其他类型材料相比，具有循环稳定性好，热稳定性佳等优点，但因其较低的电子电导率，故对其进一步的碳修饰及碳骨架设计是提升其电化学性能的重要一环。因此，高能量密度铁基聚阴离子型正极材料近年来受到研究者的广泛关注。Na2Fe2(SO4)3作为一种优异的低成本铁基正极材料，具有在聚阴离子型材料中罕见的高达3.8V的可逆平台以及121mAh/g的理论比容量，为高能量密度打下了坚实基础。最近，澳大利亚卧龙岗大学超导及电子材料研究所的侴术雷教授课题组与温州大学化学与材料工程学院王舜教授课题组合作，通过一种新颖的一步冻干煅烧合成方法，将该材料与氧化石墨烯紧密复合，在钠离子电池中表现了优异的电化学性能。同时，该材料具有铁磷比可控的优势，为该类材料其他非计量比结构提出了一种简易可行的方法。最后，作者也通过原位同步辐射XRD分析以及理论计算发现，该材料首圈循环的晶格会发生轻微程度的畸变，且先前认为不能脱出的钠原子也存在深度脱嵌的可能。
材料的合成方法及精修结果如图1所示。通过快速冷冻，前驱体的元素分布均匀，且预先分散好的氧化石墨烯可以供应同步的碳骨架网络。结果表明，煅烧后所得材料具有C2/c空间群，且无FeO,Fe2O3或Fe3O4等杂相检测出。高达3.8V的可逆充放电电压重要由共边的[Fe2O10]二聚体结构供应，且电负性高的硫元素将铁元素限制在高自旋状态，同时c轴方向的钠离子通道方便钠原子快速的扩散。
随着放电电流密度的增大，有氧化石墨烯包裹的材料的电压平台极化显著减小。同时，在0.2C及5C电流下，容量保持率仍有90%及80%。值得注意的是，可逆工作电压平台随着循环次数的新增未有明显衰减，这关于能量密度的保持极为关键。与其他已报道的聚阴离子型高能量密度的材料相比，该材料达到了400Wh/Kg，且所有元素均为廉价易得元素，故极具前景。GITT测试发现Na+的扩散系数在10-11数量级，且赝电容关于材料的倍率性能有一定贡献。
图3Na2Fe2(SO4)[email protected]@GO及比较样品Na2Fe2(SO4)[email protected]的倍率性能图(b)dQ/dV图(c)能量密度比较图(d)充放电容量曲线比较图(e)循环性能图。(f)不同循环次数下的充放电容量曲线以及中值电压保持率。(g)GITT测试结果图(h)不同扫速下的CV图(i)材料在0.3mV/s扫速下赝电容的贡献。
