一、制备钒基磷酸钠盐：“把不可能变成可能” 

　　“我在中科院长春应化所读博期间，主要从事金属离子的萃取和分离，属于湿法冶金领域。博士毕业后，我在德国美因茨大学从事博士后研究，主攻金属离子的配体设计和作用机理研究，”赵君梅向《高科技与产业化》杂志开门见山地介绍道，“后来我在美国气相反应技术公司做研发，接触到了无机非金属材料的设计和表征等技术”。 

　　2009年，赵君梅回国后加入了中国科学院过程工程研究所（以下简称“中科院过程所”）湿法冶金国家工程实验室。中科院过程所是国内最早开展湿法冶金的单位之一，多年来致力于解决钒钛磁铁矿中两性金属资源的综合利用问题。 

　　赵君梅入所后率先承担了钒的萃取分离项目，在研究高效萃取提钒过程中，得益于对材料的兴趣，她意识到如果能结合分离流程将分离产物进一步功能化和高值化，既符合分离企业的诉求，也将是行业的重要发展方向。“含钒的磷酸钠盐，正好是钠离子电池中极有应用潜能的正极材料，具有钠离子传输快、体积应变小、结构稳定等特点。为此，我们首先考虑采取结合萃取的方法来开发含钒磷酸钠盐的低成本、低能耗制备策略。” 

　　2014年，赵君梅作为访问学者前往美国橡树岭国家实验室深造，期间深入学习了电池材料领域的关键技术，笃定了她今后专攻电池材料领域的决心。“从分离提取到功能化材料制备，涉及化工、材料两个领域，在一般人看来这几乎是不可能做到的事情，”赵君梅回忆道，“但事实证明，只要敢想敢做，‘不可能’也能成为‘可能’，这里要特别感谢中科院物理所清洁能源团队的大力支持。” 

　　钒基磷酸钠盐被报道以来，主要以高温固相法合成为主，不仅得不到纯相，也无法控制颗粒尺寸，因此不能有效发挥其电化学性能，而性能和成本是材料具有市场竞争力的关键因素。对此，赵君梅团队积极开辟新思路，根据钒在水溶液中的性质特点，从低温溶液法角度实现材料的调控制备，并通过形貌、界面调控来提升其性能并降低合成成本。随着研究的深入，赵君梅团队不仅从能耗角度有效降低含钒磷酸钠盐材料的制备成本，还通过设计少钒、低钒的磷酸钠盐以降低原材料成本，为实现钒基磷酸钠盐在钠离子电池中的早日应用提供了可能性。 

赵君梅与学生毕业留念 

　　二、把握钠离子电池技术领先地位 

　　“我们团队从2014年开始围绕钠离子电池正极材料——钒基磷酸盐开展研究。钠离子电池的正极材料主要分为层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物三大类，这三类材料各有特色，但也都存在需要解决的关键性问题，”赵君梅介绍道，“层状氧化物可以取得较高的能量密度，但需要改进空气稳定性问题；聚阴离子化合物循环较为稳定，寿命长，但其成本较高；普鲁士蓝化合物价格低廉，能量密度高，但由于本身结构中结晶水的影响，需要提高其循环稳定性”。 

　　据她介绍，钒基磷酸盐属于典型的聚阴离子化合物，由于具有三维通道框架结构，钠离子传输快，加上聚阴离子的诱导效应和结构稳定优势，是最可能实现钠离子电池长寿命的材料之一。 

　　赵君梅团队多年来在面向实际应用的同时兼顾材料的制备成本及性能，通过与制钒企业合作，将分离提钒的中间产物（如偏钒酸钠的水溶液、多钒酸铵等）作为成本较低的钒源，按照分离制备一体化思路开发低能耗、可规模化的钒基磷酸盐制备新技术，如采用室温共沉淀法制备多壳层氟磷酸钒钠微球，以及在此基础上开发的高能机械球磨法制备纳米碳包覆一体化复合材料。 

　　此外，基于分子结构和组成设计，赵君梅团队还通过对结构中基础单元VO6八面体和PO4四面体角共享的连接方式形成的间隙结构中的Na的深入研究，通过掺杂不同的变价金属离子替代V，研究钠环境的不同对Na的拔出和嵌入的影响机制，设计出了获得分子中Na可逆脱嵌数更多、钠的脱嵌速率更快的新型磷酸盐结构，同时还有效降低了磷酸盐的原材料成本。 

　　截至目前，团队在磷酸钒钠Na₃V₂(PO₄)₃的基础上，设计合成了系列少钒新型钠电池聚阴离子正极材料，如 Na₄VFe_0.5Mn_0.5(PO₄)₃@C,Na₄V_0.8MnAl_0.2(PO₄)₃@C等，并揭示了钠离子在这些材料中的传输、反应相变和体积应变等机理，实现了化合物中的钒用量由多到少的突破，使得钒基聚阴离子正极材料的成本大大降低，为其进一步工业应用奠定了研究基础。 

　　目前，全球锂离子电池的生产制造规模达到了空前水平，截至2020年底，锂离子电池在全球电化学规模储能示范项目中占比高达92%。钠离子电池具有与锂离子电池相似的储能原理，同时兼具资源丰富、分布广泛、成本低廉等优势，而且可以沿用现有锂离子电池的大部分生产装备和技术。在全球大规模储能产业快速发展的形势下，钠离子电池很可能从众多电化学储能技术中脱颖而出，在大规模储能领域中担当重任。 

　　据悉， 包括英国FARADION公司、美国Natron Energy公司、法国NAIADES计划团体、日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学，我国中科海钠、钠创新能源、星空钠电等在内的一批国内外企业已在着手布局钠离子电池产业化。我国在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用等方面的工作正在全面展开，钠离子电池即将进入商业化应用阶段。 

　　2018年6月，赵君梅团队的合作伙伴、国内首家钠离子电池企业中科海钠推出了全球首辆钠离子电池（72V·80 Ah） 驱动的低速电动车；2019年3月， 该公司发布了世界首座30kW/100kWh钠离子电池储能电站；2021年6月推出1MWh的钠离子电池储能系，这标志着我国钠离子电池技术走在了世界前列。 

赵君梅团队于2020年合影 

　　三、先破后立：实现无溶剂机械化学法快速制备氟磷酸钒钠正极材料 

　　氟磷酸钒钠作为钠离子电池储能正极材料，具有高达480Wh/kg的能量密度，可与目前常规锂电池中的磷酸铁锂相媲美，因此, 其规模化应用对于钠离子电池技术的发展具有重要意义。但氟磷酸钒钠的合成一直采用高温固相法，易产生杂相且颗粒不均一，高能耗带来的高成本和电化学性能无法充分发挥等问题严重限制了这类材料的产业化应用。 

　　2015年以来，赵君梅团队重点攻关氟磷酸钒钠正极，着眼于降低能耗和调控形貌，力争解决高温固相法存在的问题。从溶剂热、水热到室温液相制备，尽管合成过程不断趋于经济、环保，但由于液相反应受溶解度、pH等多参数调控限制，材料依然无法高效生产。“后来，我们受到前期室温共沉淀方法的启发，先破后立，开发出无溶剂机械化学法，直接在球磨罐中快速磨成目标产物，”赵君梅兴奋地讲述道，“这种制备方法将液相法的生产时间由6天缩短到30分钟，而且产品倍率性能和循环稳定性得到极大提升，保证了工业应用的生产效率”。 

　　今年，团队研究成果《Rapid mechanochemical synthesis of polyanionic cathode with improved electrochemical performance for Na-ion batteries》在《Nature Communications 》上发表， 首次提出用无溶剂机械化学法快速制备氟磷酸钒钠正极材料，既突破了传统溶剂限制和快速制备，同时采用氟磷酸钒钠首次构建含碳纳米骨架的产品，有效增强了材料导电性，复合材料展现的超理论容量特性令人惊喜——将材料与商业化钠电负极匹配，经过产品公斤级放大制备得到的商业级26650圆柱电池也证实了其高功率和长循环特性，这意味着机械化学法快速规模制备钠电池正极材料已成为可能，这一研究成果不仅大大推动了氟磷酸钒钠正极的商业化应用，还为钠离子电池相关正极材料倍率和循环性能提升提供了可行性策略。 

机械化学法制得氟磷酸钒钠产品的电化学性能 

　　四、钠离子电池研究与产业化：任重而道远 

　　随着锂电池被广泛应用和普及，人们开始担忧锂资源的短缺问题。而成本低、资源丰富、综合性能较好的钠离子电池作为一种重要储能技术，近十年来受到国内外学界和业界的广泛关注且发展迅速。目前，钠离子电池已逐步从实验室走向应用，但钠离子电池的产业化依然需要着眼于解决关键基础科学问题和工程技术问题。 

　　当被问及钠离子电池领域的研究与产业化前景时，赵君梅谦虚地表示：“让我来谈这个问题是属于班门弄斧了，通过我们团队多年的跟踪研究，我个人认为钠离子电池未来在低速电动和规模化储能等方面会得到广泛应用，并将促进能源互联网的建成”。她进一步就未来钠离子电池的发展重点表达了自己的看法，“一是钠电池中的相关材料，特别是正极材料性能有待进一步优化，高性能新型电极材料的开发也势在必行，用以支撑钠离子电池的工业化应用和可持续迭代；二是要完善钠离子电池技术，要有针对性地开发并优化适用技术，以满足未来更大规模的生产制造需求。此外，进一步提高固态电池的能量密度和安全性也将是重要的研究方向；三是电池管理系统的开发，可以进一步提升电池组整体寿命和安全性；四是应该尽快制定相关标准，保证其规范发展” 。 

　　2021年4月，国家发展改革委和能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》明确提出了我国对储能的需求，并指出应加快包括钠离子电池在内的多元储能技术的发展；8月，工业和信息化部就《关于在我国大力发展钠离子电池的提案》回复中，明确了锂离子、钠离子等新型电池作为推动新能源产业发展的压舱石，是实现“双碳”目标的关键支撑之一。“咱们国家高度重视这项技术，有政府出面进行顶层设计，市场和资源也会对这项技术做相应的倾斜。”谈及未来，赵君梅满怀信心。 

　　钠离子电池是锂离子电池在大规模储能领域的重要补充技术，具有重要经济价值和战略意义。未来，钠离子电池依然将围绕提升综合性能和性价比进行重点研发，并尽快推动在低速电动车、数据中心后备电源、通讯基站、家庭及工业储能、大规模储能等领域的应用。 

　　“我们团队主要以钒基聚阴离子化合物为根本研发钠离子电池正极材料，开发具有高性价比的新型少钒或低钒磷酸盐产品和低能耗、规模化制备工艺。我们的目标是将钒基聚阴离子化合物推向产业化，尤其是长寿命、低成本、高功率钠离子电池在低速电动车和储能领域的应用，”赵君梅强调，“我国现有的钠离子电池技术居于世界领先水平，有了国家的大力支持，再加上广大研发人员的通力合作，中国极有可能领跑世界钠离子电池技术，在能源布局上居于主动地位”。 

团队于2021年合影 

　　赵君梅 

　　中国科学院过程工程研究所研究员，博导，主要从事先进电池材料及资源利用技术研究。研究方向包括萃取剂有机相微乳液自组装调控合成纳微功能材料，开发新型钠离子电池正极材料，开展结构调控和界面强化研究；钠离子电池正极低成本制备和放大，研发相应的电池器件，锂离子电池正极材料资源化回收再利用。以第一/ 通讯作者发表SCI论文50余篇。2021年，其研究成果《Rapid mechanochemical synthesis of polyanionic cathode with improved electrochemical performance for Na-ion batteries》在《Nature Communications 》发表，首次提出了用无溶剂机械化学法快速制备氟磷酸钒钠正极材料。