近日，西北工业大学余泓、杜乘风和东北师范大学吴兴隆等人在ACS Nano上发表了固溶MXene原位转化合成Cr取代Na₃V₂(PO₄)₃（NVCP）高电压高倍率正极材料的研究。Cr、V双金属固溶的MXene二维片层既提供了金属和碳的原料，又充当NVCP生长模板，最后形成双碳网络包覆NVCP的优异结构。通过充放电过程中原位X射线衍射（in-situ XRD）和密度泛函理论（DFT）对Cr取代前后的充放电相变、电子结构和钠离子（Na⁺）迁移进行了研究。

图2. 充放电过程原位XRD研究：（a）和（c）为NVP；（b）和（d）为NVCP。

研究发现，Cr取代改变了Na2位点的Na⁺排序，在充电/放电过程中形成了额外的中间相，从而降低了Na⁺在近Cr位点迁移的能垒。因此，Na⁺在NVCP中的扩散比NVP提升了2~3个数量级。在NVCP中，即使在超高倍率（200 C）和低温（−20 °C）下，也能获得3.4 V和4.0 V两个稳定的氧化平台。对比NVP，NVCP获得了倍率和循环性能的显著提升。NVCP在电流密度为1 C时，比容量为119 mA g⁻¹，能量密度达到410 Wh kg⁻¹（功率密度为407 W kg⁻¹），突破了NVP的理论能量密度极限（≈ 394 Wh kg⁻¹）；在电流密度为200 C时，功率密度为68975 W kg⁻¹（能量密度达230 Wh kg⁻¹）；在电流密度为10 C条件下，可以稳定循环1500次。同时，NVCP还展现出了出色的低温性能和全电池性能。

图3. NVP和NVCP的DFT研究：（a）和（b）为态密度；（c）-（e）为Na⁺迁移路径及能垒。