國家“碳達峰”與“碳中和”政策加速了新能源替代傳統化石能源的迭代進程，行業內卷疊加技術進步使得市場對高性價比與低成本的電芯材料需求日益凸顯。作為現有鋰電體系的有益補充和局部替代，鈉電正極材料未來極具前景，但其產業化之路必將經受性能與成本的考驗。
行業背景
1.鈉電池崛起的背景
鈉離子電池近年來備受關注，主要因為全球鋰資源供需緊張，鋰價波動明顯，鋰電池市場競爭加劇，推動了業界對鈉電池的研發和投資。盡管鈉的資源豐富、價格低廉，但鈉電池的性能和能量密度與鋰電池相比仍有差距，因此其商業化應用更多集中在儲能領域和低成本電動交通工具上。
2.復合磷酸鐵鈉（NFPP）正極材料的優勢
復合磷酸鐵鈉（NFPP）作為一種聚陰離子型正極材料，具備良好的結構和熱穩定性，與層狀氧化物材料相比，能夠在高安全性要求的場景下發揮作用。由于NFPP的磷酸根陰離子與氧的強共價鍵作用，能夠為鈉離子提供穩定的嵌入/脫出通道，降低了結構坍塌的可能性，材料在充放電過程中保持了高度穩定，極大降低了熱失控的風險，使得NFPP在儲能系統中具有顯著的安全優勢。然而，與鋰電池中的磷酸鐵鋰相比，NFPP在導電性、容量等方面仍有待優化，這成為產業化的主要瓶頸。
圖1：室溫鈉離子電池的工作原理(a)和應用場景(b)
鈉電池正極材料的技術難點
1.原生導電率低，內阻大
NFPP材料的原生導電率較低，這是其電化學性能的一大限制。由于NFPP的晶體結構中磷酸根（PO?3?）陰離子與氧之間的強共價鍵作用形成了穩定的框架結構，雖然有助于提高材料的化學穩定性和熱穩定性，但也限制了電子在材料內的自由遷移路徑，增加了內阻，進而影響整體的電子導電性。
低導電性使得在高倍率充放電條件下，材料內部的電荷傳輸效率較差，導致電池的功率密度下降。此外，較大的內阻不僅會加劇電池的發熱，還會導致電池循環過程中能量損失增多，進而縮短電池的使用壽命。如何在提升導電性的同時保持其結構穩定性和化學穩定性，是一個需要持續研究的問題。
2.能量密度+比容量較低
與鋰電池相比，鈉電池的能量密度相對較低，這主要是由于鈉離子的質量和體積較大，限制了正極材料的儲鈉能力。就像一個裝滿蘋果的籃子，鋰離子小，鈉離子大，顯而易見，鈉離子占據更多空間，容量自然受限。對于NFPP正極材料而言，盡管其熱穩定性和化學穩定性較好，但其理論容量為129mAh g-1，與目前高能量密度的鋰電池相比稍顯劣勢。如何提升NFPP的容量和能量密度，是實現鈉電池高性能化的一個難題。
3.純相獲取難度大
在NFPP材料的合成過程中，純相的獲取難度較大，特別是在高溫反應條件下容易生成惰性磷酸鐵鈉雜相。這些雜相是非活性相，不參與電化學反應，直接影響了材料的能量密度和循環壽命，成為NFPP實現高性能應用的一大瓶頸。如何在合成過程中優化反應條件（如溫度、反應時間等）減少雜相的生成，提高材料的相純度是實現鈉電池高性能化的又一難題。
針對技術難點的破局策略
1.碳包覆技術提升導電性
為了解決NFPP材料電子導電性差的問題，碳包覆是一種有效的策略。通過在NFPP顆粒表面包覆導電性碳層，可以顯著提升材料的電子傳導能力，降低電池的內阻。這層碳包覆不僅提升了導電性能，還可以在材料表面形成穩定的界面層，減少電解液的副反應，延長電池的循環壽命。碳包覆技術相當于給材料穿上一件“保護外套”，既能提高導電性，又能保護材料免受外界的化學侵蝕。但是要實現理想的導電性和界面穩定性，如何選擇合適的碳源以及合理控制碳包覆層的厚度對產業化而言是一項挑戰。
圖2：（a）正極材料表面包覆的要求和挑戰，（b）作用和功能。
2.摻雜改性與納米結構設計
為了提升NFPP材料的能量密度和鈉離子的擴散速率，結構設計和摻雜改性是關鍵的破局策略之一。通過在NFPP的晶體結構中引入摻雜元素（如釩、鎳等過渡金屬），可以調控材料的晶格參數，拓寬鈉離子的遷移通道，提升材料的容量和離子的傳輸效率。摻雜這些元素還可以提高材料的氧化還原電位，增強材料的導電性。此外，納米化結構設計能夠增加材料的比表面積，縮短鈉離子的擴散路徑，減少體積變化帶來的結構壓力，有助于提升材料的循環穩定性。
圖3：NFPP-4.5中NFP和NFPP-4.0共生形成過渡晶界NFP被激活示意圖
3.配方改良與工藝創新
合理的化學配方設計是解決NFPP材料雜相生成的關鍵之一。通過優化前驅體的選擇和元素比例，能有效減少雜相并提高相純度。選用高純度的前驅體（如高純鐵源和磷源）可以降低雜質的生成，引入適量摻雜元素則有助于調控晶體結構，抑制雜相生成。
在合成工藝上，精確控制反應條件、采用先進技術和創新后處理工藝，能進一步提高材料的純相度。通過調節加熱、降溫速率及反應時間，促進目標相的形成；調整氣氛條件也能減少雜相生成。此外，采用高能球磨法等技術，可加快前驅體反應，提升材料的均勻性。退火處理還能消除應力，進一步促進目標相生成，減少雜相殘留，提高材料的穩定性。
配方改良與工藝創新的結合，既有助于提升NFPP材料的電化學性能，也能推動鈉離子電池的產業化進程。
本文圖表信息來源：
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