创新亮点

本研究最突出的创新点在于首次提出并实现了通过闪速焦耳加热技术同步完成碳源碳化与正极材料晶相形成的过程，从根本上解决了传统热处理中因反应顺序不同步导致的碳包覆不均匀问题。具体亮点如下：

揭示碳包覆失效机制

• 通过高温原位拉曼、XRD、TG-FTIR等手段，系统研究了葡萄糖等碳源在热处理过程中的分解行为与Na₃V₂(PO₄)₃的晶相形成过程。研究发现，碳源在约300°C开始碳化，而NVP的晶相直至700°C才形成，两者之间存在约400°C的“热失配”，导致碳层提前形成并在后续高温中与主体材料分离。

引入闪速焦耳加热技术

• 利用高电流脉冲在极短时间内（1.2秒）将前驱体加热至800°C，实现了碳化与晶相形成的动力学同步。这种“热冲击”处理避免了传统加热中因热传导慢导致的反应顺序错位。

构建超薄均匀碳包覆层

• 在NVP表面成功构建了厚度约为2 nm的致密、连续碳层，与传统方法得到的8 nm厚疏松碳层形成鲜明对比。该碳层不仅提高了电子传导能力，还显著增强了界面稳定性。

全面提升电化学性能

• 所制备的FJH-NVP材料在-40°C低温下仍能提供85 mAh g⁻¹的可逆容量，在30°C高倍率下循环3000次后容量保持率高达84%，表现出卓越的高低温性能和循环稳定性。

方法普适性验证

• 该策略在LiFe₀.₄Mn₀.₆PO₄、Na₃V₂(PO₄)₂F₃、Na₂VMn(PO₄)₃等多种聚阴离子材料中均成功应用，显示出广泛的适用性。

核心实验

1. 碳化与晶相形成的异步性分析

通过高温原位拉曼光谱和XRD，研究人员明确了葡萄糖在300°C开始出现D带和G带，表明碳化开始；而NVP的衍射峰在700°C才出现，说明其晶相形成远晚于碳化过程。TG-FTIR进一步显示，在230–350°C区间内葡萄糖分解产生CO/CO₂气体，而在350–600°C完成碳化过程。这种“碳化先于晶化”的顺序导致碳层在NVP结晶前已形成，并在后续高温中发生相分离。

2. 闪速焦耳加热实现同步反应

采用FJH技术，在1.2秒内将前驱体加热至800°C，极大缩短了热处理时间，使得碳化与晶相形成几乎同步进行。温度曲线显示，该过程具有极快的升温速率（>600°C/s），远高于传统管式炉的5°C/min。

3. 材料结构与形貌表征

XRD与Rietveld精修确认FJH-NVP为纯相NASICON结构，属于六方晶系R3̅c空间群。HRTEM显示FJH-NVP表面覆盖一层约2 nm厚的连续碳层，而传统TFH-NVP的碳层厚度不均（约8 nm），且存在明显游离碳。EDS mapping进一步证实FJH-NVP中C、V、Na、P元素分布均匀，无局部富集。

4. 电化学性能系统评估

• 低温性能：在-40°C、0.1 C下，FJH-NVP提供85 mAh g⁻¹容量，TFH-NVP仅为24 mAh g⁻¹。
• 高倍率循环：在30°C、30 C倍率下，FJH-NVP循环3000次后容量保持84%，远优于TFH-NVP。
• 界面动力学：GITT测试表明FJH-NVP具有更高的Na⁺扩散系数；EIS显示其界面电荷转移电阻显著降低。
• 软包电池验证：在1 C下循环500次，容量保持率达74.5%，展现出实际应用潜力。

5. 界面与热稳定性分析

TOF-SIMS深度剖析显示，FJH-NVP表面的CEI层更薄且成分均匀，有效抑制了电解质分解和钒溶解。TG与高温原位XRD表明，FJH-NVP在高温下的相变起始温度从140°C提升至220°C，热稳定性显著增强。

图文解读

图1：碳化与晶相形成的异步过程分析

该图通过高温原位拉曼光谱(a)、热重-红外联用分析(b,c)和高温原位XRD(d)揭示了葡萄糖碳化与Na₃V₂(PO₄)₃晶相形成之间的动力学失配。结果显示碳源在300°C开始碳化，而NVP晶相直到700°C才形成，存在约400°C的反应间隔。EDS mapping(e-h)直观展示了随着温度升高，碳元素分布从均匀变得离散，最终形成游离碳和疏松碳层的过程(i)，阐明了传统热处理中碳包覆失效的根本机制。

 

图2：闪速焦耳加热技术与材料表征对比

图2a展示了闪速焦耳加热装置示意图，2b呈现了1.2秒内升温至800°C的加热曲线。关键的是，尽管FJH-NVP和TFH-NVP的碳含量相当(约2%)，但拉曼mapping(2d,h)显示FJH-NVP具有更均匀的碳分布。TEM图像(2e,k)和HRTEM(2g,k)直接证实FJH-NVP形成了约2纳米厚的致密碳层，而TFH-NVP的碳层厚约8纳米且结构疏松，EDS mapping(2f,j)进一步验证了FJH-NVP中各元素的均匀分布。

 

图3：电化学性能全面评估

该图系统比较了两种材料的物理和电化学性能。FJH-NVP展现出更高的振实密度(1.11 g cm⁻³)和压实密度(1.88 g cm⁻³)(3a)，以及更低的比表面积(17.6 m² g⁻¹)(3b)。电化学测试显示，FJH-NVP在-40°C极端低温下仍能提供85 mAh g⁻¹容量(3e)，在30°C高倍率下循环3000次后容量保持率达84%(3h)，软包电池循环500次后保持74.5%容量(3i)，全面超越了传统方法制备的材料。

 

图4：界面稳定性与热安全性分析

通过电化学阻抗谱(4a,b)显示，循环后FJH-NVP的界面电阻显著低于TFH-NVP。TOF-SIMS深度剖析(4c-f)证实FJH-NVP表面形成了更薄且均匀的CEI层。钒溶解测试(4g)显示FJH-NVP的溶解量减少约50%，AFM图像(4h)显示其电极表面更平整。热重分析和高温原位XRD(4i,j)证明FJH-NVP将相变起始温度从140°C提升至220°C，显著增强了热稳定性

 

图5：方法普适性验证

该图通过在LiFe₀.₄Mn₀.₆PO₄(a,d,g,j)、Na₃V₂(PO₄)₂F₃(b,e,h,k)和Na₂VMn(PO₄)₃(c,f,i,l)三种不同聚阴离子材料上应用FJH技术，验证了该方法的广泛适用性。XRD精修确认了各材料的相纯度，XPS C1s谱显示碳主要以C-C形式存在，EDS mapping证实碳元素均匀分布，HRTEM图像清晰显示了2-3纳米厚的均匀碳包覆层，证明了FJH技术在多种材料体系中都能实现高质量的碳包覆效果。

 

结论与展望

本研究利用闪速焦耳加热技术，通过瞬时高温处理实现了碳源碳化与材料晶相的同步形成，在Na₃V₂(PO₄)₃表面构建了2纳米厚的均匀碳包覆层。该材料展现出卓越的综合性能：在-40°C低温下容量达85 mAh g⁻¹，30°C高倍率循环3000次后容量保持率84%，且热稳定性显著提升。该方法在多种聚阴离子材料体系中均验证有效，为高性能钠离子电池正极材料制备提供了可靠方案。未来，该技术可进一步拓展至其他电极材料体系，并通过工艺优化与工程放大，推动其从实验室走向产业化应用。本研究证实了控制反应时序与动力学匹配在材料合成中的重要性，为能源材料设计提供了新思路。

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61051-2