随着太阳能、风能等可再生能源的快速发展，其间歇性和地域性特点对大规模储能系统提出了迫切需求。钠离子电池（SIBs）因其成本低、资源丰富而成为储能领域的研究热点。然而，SIBs的发展受限于正极材料的性能。多阴离子型化合物因其稳定的三维框架结构而备受关注，但传统材料如NaFePO₄和Na₃V₂(PO₄)₃存在合成复杂或成本高的问题。相比之下，Na₂+2xFe₂−x(SO₄)₃（NFS）凭借高工作电压、环境友好和低成本优势成为理想候选，但其结晶度不足、电子/离子导电性差等问题制约了实际应用。
在这项研究中，研究人员创新性地提出了一种镁掺杂与单晶工程相结合的策略，成功制备了镁掺杂单晶NFS@FG-0.3Mg。通过同步辐射表征和密度泛函理论（DFT）模拟，发现镁优先占据目标铁位点，不仅缩小了带隙，还降低了钠离子扩散势垒，显著提升了电荷转移动力学。优化后的NFS@FG-0.3Mg正极展现出卓越的倍率性能（100C下63mAhg⁻¹）和循环稳定性（50C下7000循环后容量保持率92.8%），为高性能多阴离子正极材料的开发提供了新思路。
图文导读
图1展示了NFS@FG-0.3Mg的形成过程示意图，以及不同镁掺杂水平样品的XRD图谱和低角度区域的放大视图，通过Rietveld精修进一步确认了晶体结构特征。
图2揭示了镁掺杂对NFS晶体结构和电子态的影响，包括Mg掺杂在NFS晶体中的优先占据位点及形成能，Fe K边XANES光谱和EXAFS光谱等。
图3对比了NFS@FG和NFS@FG-0.3Mg的电化学性能，如CV曲线、倍率性能和循环性能等。
图4展示了DFT计算结果，包括NFS@FG和NFS@FG-0.3Mg的态密度、电子电导率、晶体结构及Na⁺迁移路径等。
图5呈现了原位XRD测试结果，揭示了NFS@FG和NFS@FG-0.3Mg在首次电化学循环中的结构变化。
本研究通过镁掺杂与单晶工程策略成功开发了高性能NFS正极材料。研究结果表明，镁掺杂有效降低了材料的带隙和钠离子扩散势垒，显著提升了电子和离子导电性。同时，镁的“支柱效应”抑制了循环过程中Fe³⁺的迁移，维持了结构稳定性。这种镁掺杂单晶NFS@FG-0.3Mg复合材料不仅为钠离子电池正极材料提供了低成本、高性能的选择，还为提升多阴离子型材料的本征导电性提供了有效途径，有望加速钠离子电池的商业化进程。
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104408
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