钠离子电池正极材料研究进展

近年来,钠离子电池由于资源丰富、价格低廉等特点,逐渐成为储能领域的研究热点。然而,钠离子具有较大的离子半径和较慢的动力学速率,成为制约储钠材料发展的主要因素,而发展高性能的嵌钠正极材料是提高钠离子电池比能量和推进其应用的关键。本文详细综述了目前钠离子电池研究的正极材料体系,包括过渡金属氧化物、聚阴离子类材料、普鲁士蓝类化合物、有机分子和聚合物、非晶材料等,并结合这几年我们课题组在正极方面的研究工作,探讨了材料的结构和电化学性能的关系,分析了提高正极材料可逆容量、电压、结构稳定性的可能途径,为钠离子电池电极材料的发展提供参考。     

钠离子电池硫酸盐正极材料的研究进展

电化学储能设备已经成为现代社会不可分割的一部分.其中,锂离子电池(LIBs)的应用最为广泛.然而,地壳中锂资源短缺且分布不均匀,带来的较高成本和发展不均衡,急需研发其他高性能的二次电池.钠元素在地壳中储量均匀、丰富,并且具有与锂相似的化学性质,使得钠离子电池(SIBs)成为了代替LIBs最有应用前景的二次电池之一.SI...     

钠离子电池磷酸盐正极材料研究进展

近年来,钠离子电池因其原材料丰富、资源成本低廉及安全环保等突出优点,在电化学规模储能领域和低速电动车中具有广阔的应用前景。聚阴离子型磷酸盐具有稳定的框架结构、合适的工作电压和快速的离子扩散路径等特征,是一类极具研究价值和应用前景的钠离子电池正极材料。但是,磷酸盐正极材料电子导电性差和比能量偏低等缺陷限制了其走向实际应用。研究工作者通过体相结构调控和微纳结构设计等手段进行改性研究,旨在提升磷酸盐正极材料的性能表现、推动钠离子储能体系的研究开发。本文综述了钠离子电池磷酸盐正极材料的最新进展,包括正磷酸盐、焦磷酸盐、氟磷酸盐和混合磷酸盐化合物,通过对磷酸盐材料的晶体结构、储钠机理和改性策略等方面的综述,揭示材料成分、结构与电化学性能之间的本征关系,为聚阴离子磷酸盐正极材料的持续改性和新型磷酸盐高压正极材料的探索开发提供指导。     

掺杂对钠离子电池正极材料性能影响机制的研究

钠元素在地壳中的丰度是锂元素的1000倍,资源丰富,价格低廉。同时,钠离子电池负极可采用廉价的铝箔替代铜箔,且低温特性更加优异,在能量型、备用型储能场景均具有较好应用前景,因而钠离子电池被认为是下一代大规模储能技术的理想选择之一。然而,相对锂离子而言,钠离子较大的离子半径和质量极大限制了其在电极材料中的可逆脱嵌,导致电池的工作电压和能量密度相对较低。在钠离子电池材料体系中,正极材料的研究尤为需要长足的进步。本文对现有的典型钠离子电池正极材料进行了综述,包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物,并重点分析了掺杂对钠离子电池正极材料性能的影响。通过元素掺杂可提高材料的循环可逆性、增加其可逆容量、提升钠离子扩散动力学性能,能够在一定程度上改变晶格的性质,增强晶格稳定性、电子导电性、钠离子嵌脱动力学性能等。本文总结了掺杂应用在现有材料中获得的成果,并对正极材料未来的研究方向以及发展前景提出了展望。     

P2结构层状复合金属氧化物钠离子电池正极材料

目前,碱金属(锂、钠、钾等)离子电池中的锂离子电池已经广泛应用于社会生产生活的各个方面,有力地支撑了社会的自动化、信息化和智能化。然而,由于锂在地壳中的丰度较低,以较高丰度的钠为基础的钠离子电池引起了研究者和社会的广泛关注。其中,正极材料是制约钠离子电池实用化的重要因素之一,人们需要开发出面向实际应用的正极材料。P2结构层状复合金属氧化物钠离子电池正极材料具有资源丰富、制备简单、结构稳定、放电容量高、倍率性能好和循环稳定性较好等优点,获得了研究者的广泛关注,具有实用化前景。这一系列材料由于涉及到多种过渡金属元素的组合,较为复杂。本文针对含单一过渡金属、二元组分过渡金属、三元及以上组分过渡金属的P2结构材料及其优化改性进行了系统性梳理,力求厘清研究脉络,梳理研究思路,并给出了今后发展的方向与预测。P2结构材料的主要问题是提高其初始放电容量,氧还原的应用是解决这一问题的重要方向。此外,优化材料组分及采用具有丰富储量、低成本、高安全性和环境友好性的原材料是进一步降低成本并保护环境的重要研究方向。     

NASICON结构正极材料用于钠离子电池的研究进展

随着二次电池技术的迅速发展,锂离子电池(LIBs)已经成为了当今社会一种重要的储能装置。然而,地壳中锂资源有限、含锂化合物价格昂贵,因此科研工作者正在积极寻找LIBs的替代品。钠离子电池(SIBs)具有与LIBs相似的工作原理,且钠元素在地球上储量更丰富更均匀、价格更低廉,使得SIBs成为了最有希望替代LIBs的新型二次电池体系之一。不过,钠离子半径较大、充放电过程中电极材料的不可逆性更明显等缺点,明显地增加了开发高性能SIBs的难度。因此,寻找具有优异性能的电极材料,成为了当前SIBs研究的难点和重点。钠超离子导体(NASICON)结构材料是一类具有超快钠离子传导能力的化合物,在脱/嵌钠过程中具有离子传导率高、结构稳定等优点,表现出明显的应用潜力。本文将在介绍NASICON材料晶体结构的基础上,重点从过渡金属种类与个数,以及阴离子调控的角度,总结其研究进展,并分析了该类材料面临的主要问题和挑战。     

钠离子电池电极材料研究进展

室温钠离子电池由于原料丰富,分布广泛,价格低廉,引起了人们的研究兴趣。然而,由于钠离子相对于锂离子较重且半径较大,这会限制钠离子在电极材料中的可逆脱嵌过程,从而影响电池的电化学性能。因此研发先进的电极材料成为钠离子电池实用化的关键。本文中我们主要介绍了几种典型的钠离子电池电极材料,并对其最新的研究进展进行了简要综述,将为钠离子电池新型电极材料的研究提供基础。     

钠离子电池电极材料研究进展

室温钠离子电池由于原料丰富,分布广泛,价格低廉,引起了人们的研究兴趣。然而,由于钠离子相对于锂离子较重且半径较大,这会限制钠离子在电极材料中的可逆脱嵌过程,从而影响电池的电化学性能。因此研发先进的电极材料成为钠离子电池实用化的关键。本文中我们主要介绍了几种典型的钠离子电池电极材料,并对其最新的研究进展进行了简要综述,将为钠离子电池新型电极材料的研究提供基础。     

普鲁士蓝及其类似物作为钠离子电池正极材料的研究进展

普鲁士蓝及其类似物具有独特的开放框架结构、丰富的储钠位点及较大的钠离子迁移通道,是最有商业化前景的钠离子电池正极材料之一.该类材料主要是利用共沉淀法或单一铁源自分解的方法合成.其超低的沉淀溶解平衡常数导致该类材料在制备过程中极易产生晶格缺陷和结晶水,造成比容量低、倍率能力欠佳和长期稳定性差.本文主要介绍了普鲁士蓝及其类似物材料的结构特征及其电化学特性,综述了该类材料的制备和改性方法,并对其作为钠离子电池正极材料的发展进行了展望.这一综述将推动普鲁士蓝材料在钠离子电池中的进一步研究,尤其是其新兴商业化进展.     

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料研究进展

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料具有价格低廉、比容量相对高的特点,是未来大型储能电站等能源转型设施的重要候选者,与锂离子电池在市场中的应用场景互为补充,为能源转型提供了有力支持,钠离子电池以Na+特有的理化性质而具有极大的开发潜力。然而,层状过渡金属氧化物正极材料在充放电过程伴随着钠离子的嵌入、脱出会产生一系列不利于其电化学性能的变化,如过渡金属溶解、结构相转变、相对较低的能量密度和较差的空气稳定性与循环稳定性,因此对正极材料的结构与性能进行优化变得尤为重要。近10年来许多研究学者针对层状正极材料的失效机制进行了结构上的优化,得到了性能相对良好的正极材料,报道了当前层状过渡金属氧化物正极材料的电化学性能失效机制、改性手段的现状,对钠离子层状氧化物正极材料面临的挑战进行了总结,并对未来发展需要解决的关键问题做出了展望。     

电化学转换反应及其在二次电池中的应用

电化学转换反应作为一种新的电极反应机制,近年来受到相当多的关注. 转换反应不仅能够利用金属化合物的多价态氧化还原,大幅度提高电化学容量利用率,而且对于主体晶格的结构、嵌脱阳离子的尺寸并无特殊要求,可以应用于众多不同种类的金属化合物,针对不同的金属离子设计高容量正负极活性材料. 因此,基于转换反应构建高容量电极材料正成为二次电池发展的一个新方向. 本文简要分析了电化学转换反应的基本原理和实现条件,并结合作者课题组近年来的研究工作探讨了这类反应在锂离子及钠离子电池中的潜在应用.     

喷雾干燥-高温烧结的NaMnPO4制备及其电化学性能

采用喷雾干燥制备前驱体,经高温烧结制得有电化学活性的钠离子电池NaMnPO₄正极材料. X射线衍射分析（XRD）证明,合成的NaMnPO₄材料系正交晶系、Pmnb空间群的磷钠锰矿（Natrophilite）型材料. 扫描电镜（SEM）及透射电镜（TEM）结果显示,喷雾干燥得到的前驱体为空心球粒子,经高温烧结后,该材料由粒径几十纳米的NaMnPO₄纳米晶一次颗粒及无定形碳网络结构相互连接组成的微米级二次颗粒构成. 电化学测试表明,NaMnPO₄/C复合结构显著改善了材料的离子电导与电子电导,首次报道电流密度为7.75 mA·g^-1、电压范围为1.0 ~ 4.5 V (vs. Na⁺/Na)时,钠离子电池NaMnPO₄正极材料的可逆放电比容量达90 mAh·g^-1.     

铁基普鲁士蓝正极的制备及电化学储钠性能

通过引入抗氧化剂(抗坏血酸)和配位剂(柠檬酸钠),采用共沉淀法在室温下制备出了高钠含量、低缺陷的铁基普鲁士蓝材料。由于高的钠含量和低的晶体缺陷,该材料在0.1C时容量可达110.0 mAh·g^-1。除了普鲁士蓝材料独特的开放框架结构,其多边界结构和低的缺陷,使该材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性。在10C大电流下,容量仍有86.6 mAh·g^-1,1C电流下经过1300次循环,容量保持在90.1 mAh·g^-1,容量保持率达到86.9%。     

钠离子电池工作原理及关键电极材料研究进展

由于钠资源价格低廉、分布广泛等优点,钠离子电池及其关键电极材料的研究近年来引起了广泛的关注.然而,与锂相比,钠的离子半径大得多,使其在储钠材料中的迁移速度过慢而严重地限制了钠离子电池倍率性能的提升和储钠容量的表达,而且钠元素具有更高的相对原子质量,也在理论上限制了钠离子电池的能量密度.因此,开发先进的、利于钠离子脱嵌的电极材料是开发高性能钠离子电池的关键.本文在钠离子电池工作原理的基础上,着重介绍了几类典型的关键电极材料,并对它们的研究进展进行了简要综述.     

Single Crystalline Na0.7MnO2 Nanoplates as Cathode Materials for Sodium‐Ion Batteries with Enhanced Performance

Single crystalline rhombus‐shaped Na_0.7MnO₂ nanoplates have been synthesized by a hydrothermal method. TEM and HRTEM analyses revealed that the Na_0.7MnO₂ single crystals predominantly exposed their (100) crystal plane, which is active for Na⁺‐ion insertion and extraction. When applied as cathode materials for sodium‐ion batteries, Na_0.7MnO₂ nanoplates exhibited a high reversible capacity of 163 mA h g^?1, a satisfactory cyclability, and a high rate performance. The enhanced electrochemical performance could be ascribed to the predominantly exposed active (100) facet, which could facilitate fast Na⁺‐ion insertion/extraction during the discharge and charge process.     

钠离子电池正极材料Na2MnPO4F的23Na MAS NMR谱研究

Na₂MnPO₄F材料是一种很有发展前景的钠离子电池正极材料,本文通过非原位XRD和固体核磁共振技术研究该材料充放电结构变化（晶体结构与局域Na位）. 非原位XRD测试发现,充电过程在2θ为31^o和36^o左右出现新的衍射峰,表明钠脱出后电极上有中间相物质生成. ²³Na MAS NMR谱图的-209 ppm、-258 ppm和-295 ppm三个谱峰分别对应于该材料结构中Na1 + Na2位、Na3位和Na4位. 非原位²³Na MAS NMR谱研究发现,充电过程中-209 ppm处信号峰面积比例减小,表明Na1和Na2位的Na比Na3和Na4位先脱出. 充电至4.2 V,-132 ppm和-330 ppm处出现中间相物质的信号峰;而放电过程则相反.     

多元掺杂尖晶石型Li1.02MxMn2-xQyO4-y正极材料的电化学特性

The effect of doping on the electrochemical performance was studied for spinel type Li_1.02M_xMn_2-xQ_yO_4-y used as cathode material in lithium-ion battery. TG/DTA curves of the precursor(the raw materials) doped with different elements were studied. The spinel materials Li_1.02Mn₂O₄, Li_1.02Co_0.02Cr_0.01La_0.01Mn_1.96F_0.02O_3.98, Li_1.02Co_0.02Cr_0.01 La_0.01Mn_1.96Cl_0.02O_3.98, Li_1.02Co_0.02La_1.02Mn_1.97Cl_0.02O_3.98, Li_1.02Co_0.02Cr_0.01Mn_1.97O₄, were prepared by solid-state reaction method after the pretreatment of conversion under low temperature and uniform mixing. X-ray diffraction patterns showed that all the samples had perfect spinel structure. SEM indicated that the particles of the samples had uniform size and were distributed evenly. The results of the charge/discharge curves showed that Li_1.02Co_0.02Cr_0.01La_0.01Mn_1.96F_0.02O_3.98 had better performance than other materials according to the inhibition of decline of reversible capacity of spinel Li_1.02M_xMn_2-xQ_yO_4-y. Therefore, cycle performance had been improved so obviously that 93.9% of the initial capacity were preserved after 100 cycles. Furthermore, electrochemical impedance tests were carried out with the spinel Li_1.02Co_0.02Cr_0.01La_0.01Mn_1.96F_0.02O_3.98 as working electrode, Lithium as counter electrode and reference electrode. Results showed that this material possessed good charge/discharge reversible capability and had the lowest impedance in 3.95～4.25 V range (on the stage of charge / discharge).     

电化学储钠材料的研究进展

大规模储能的二次电池不仅需要具有适宜的电化学性能,更需考虑资源、成本和环境效益等应用要求. 锂离子电池储能的大规模应用也将受到制约. 从资源与环境方面考虑,钠离子电池作为储能电池更具应用优势. 然而,从目前的技术现状来看,几类不同的嵌钠正极材料虽显现出可观的嵌钠容量与较好的循环性,但能量密度与功率密度尚待提高. 硬碳材料和合金负极最有希望用于钠离子电池,这类材料的初始充放电效率和循环稳定性仍有待改善. 本文简要分析了锂离子电池与钠离子电池在材料要求方面的差异,回顾了近年来钠离子电池材料探索中的突破性进展,并主要结合本课题组的研究工作讨论了钠离子电池及其关键材料的发展方向.