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.SIBs中硫酸盐正极材料具有价格低廉和工作电位适中等优势,引发了研究者们的广泛关注,是极具潜力的新一代SIBs材料.本文总结了SIBs硫酸盐正极材料的研究进展,主要介绍了硫酸盐材料的合成方法、晶体结构以及电化学性能,并分析了该类材料面临的主要问题和发展前景.     

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。     

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.     

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。     

高比能锂硫电池正极材料

锂硫电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系之一.单质硫与锂反应的理论比容量为1675 mA h g?1,质量比能量达2600 W h kg?1,远远高于现行的传统锂离子二次电池材料.同时硫又具有来源丰富、环境友好等优点.然而,仍然有许多问题制约了锂硫电池的发展与广泛应用.本文综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展.     

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。     

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.     

钠离子电池关键材料研究及应用进展

钠离子资源丰富,分布广泛,价格低廉,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,钠离子较大的半径和质量不利于它与电极材料的可逆反应. 开发能够快速、稳定储钠的基质材料是提升钠离子电池性能的关键之一. 此外,如何合理地优化电解质,匹配正负极材料,以实现高性能、高安全、低成本钠离子全电池的构建,切实将其推向市场,也是亟待解决的问题. 本文综述了国内外钠离子电池关键材料（包括正极材料、负极材料和电解质）的研究进展,介绍了一些具有代表性的钠离子全电池实例. 对钠离子电池的基础研究和实际应用具有一定参考价值和借鉴意义.     

Recent Advances in Aerosol‐Assisted Spray Processes for the Design and Fabrication of Nanostructured Metal Chalcogenides for Sodium‐Ion Batteries

Increasing demand for sodium‐ion batteries (SIBs), one of the most feasible alternatives to lithium ion batteries (LIBs), has resulted because of their high energy density, low cost, and excellent cycling stability. Consequently, the design and fabrication of suitable electrode materials that govern the overall performance of SIBs are important. Aerosol‐assisted spray processes have gained recent prominence as feasible, scalable, and cost‐effective methods for preparing electrode materials. Herein, recent advances in aerosol‐assisted spray processes for the fabrication of nanostructured metal chalcogenides (e.g., metal sulfides, selenides, and tellurides) for SIBs, with a focus on improving the electrochemical performance of metal chalcogenides, are summarized. Finally, the improvements, limitations, and direction of future research into aerosol‐assisted spray processes for the fabrication of various electrode materials are presented.     

Bismuth Nanoparticles Embedded in Carbon Spheres as Anode Materials for Sodium/Lithium‐Ion Batteries

Sodium‐ion batteries (SIBs) are regarded as an attractive alternative to lithium‐ion batteries (LIBs) for large‐scale commercial applications, because of the abundant terrestrial reserves of sodium. Exporting suitable anode materials is the key to the development of SIBs and LIBs. In this contribution, we report on the fabrication of Bi@C microspheres using aerosol spray pyrolysis technique. When used as SIBs anode materials, the Bi@C microsphere delivered a high capacity of 123.5 mAh g^?1 after 100 cycles at 100 mA g^?1. The rate performance is also impressive (specific capacities of 299, 252, 192, 141, and 90 mAh g^?1 are obtained under current densities of 0.1, 0.2, 0.5, 1, and 2 A g^?1, respectively). Furthermore, the Bi@C microsphere also proved to be suitable LIB anode materials. The excellent electrochemical performance for both SIBs and LIBs can attributed to the Bi@C microsphere structure with Bi nanoparticles uniformly dispersed in carbon spheres.     

一种新型的碳复合钼掺杂的钒氧化物纳米线钠离子电池正极材料

近年来,由于锂资源逐渐紧缺而导致其成本增加,锂离子电池发展受到了限制. 作为一个有潜力的替代者,有着相似电化学机制且成本较低的钠离子电池则发展迅速. 但由于钠离子与锂离子相较有着更大半径,在钠离子脱嵌过程中,对大多数电极材料的晶体结构破坏严重. 因此,开发新型电极材料对钠离子电池的进一步发展尤为重要. 其中,层状钒氧化物作为正极材料被广泛研究. 在这项工作中,作者基于钒氧化物,引入钼元素并与碳复合,首次设计合成了一种新型的碳复合钼掺杂的钒氧化物纳米线电极材料,并获得了优良的电化学性能（在50 mA•g^-1的电流密度下,最高放电比容量达135.9 mAh•g^-1,并在循环75次后仍有82.6mAh•g^-1的可逆容量,容量保持率高达71.8%;在1000mA•g^-1的高电流密度下循环并回到50mA•g^-1后,可逆放电比容量仍能回复至111.5mAh•g^-1）. 本工作的研究结果证明,这种具有超大层间距的新型碳复合钼掺杂的钒氧化物纳米线是一种非常有潜力的储钠材料,并且我们的工作为钠离子电池的进一步发展提供了一定的理论基础.     

碳布负载的缺氧型Na2Ti3O7纳米带阵列作为高性能柔性钠离子电池负极材料

作为锂离子电池的理想替代品,钠离子电池因具有能源储备丰富、成本低廉等优点而受到人们的广泛关注。柔性便携式电子产品的发展亟需柔性储能器件的研制。因此,发展一种廉价、高性能的柔性钠离子电池负极材料成了科研工作者的共同目标。在此项工作中,我们通过简单的水热合成和热还原法发展了一种以柔性碳布为基底,与缺氧型的Na₂Ti₃O₇纳米带(NTO)构成三维阵列结构的新型柔性钠离子电池负极材料。复合材料(R-NTO/CC)的导电性和活性位点得到提高,电化学性能也大幅提升,在200 mA·cm^-2的电流密度下,实现100 mAh·cm^-2的面积比容量,且经过200次循环后仍保留最初电容值的80%。此外,这种电极还具有优良的倍率性能,当电流密度提高到400 mA·cm^-2时,仍保持69.7 mAh·cm^-2的面积比容量,是未引入氧空位材料的三倍之多。这种三维缺氧的电极材料可有效提高载流子浓度,缩短离子传输通道,从而大幅提升电极的电化学性能。此工作为设计合成高储钠性能的新型的负极材料提供了一种实用有效的策略。     

Advanced Carbon Materials for Non-aqueous Potassium Ion Battery Anodes

Owing to the abundant reserves and low cost, potassium ion batteries(PIBs), as potential alternatives to lithium ion batteries(LIBs) in the field of grid-level electrical energy storage systems, have triggered extensive research interest recently. Taking into consideration of the cost, environmental benignity and sustainability, carbon-based materials are supposed to be a promising choice for PIB anodes. In this perspective, we summarize the carbon-based materials with various microstructures toward PIBs and try to offer comprehensive understanding the underlying mechanism of potassium(K) ion storage. In addition, several strategies including heteroatom doping, morphology engineering, defect engineering, interlayer engineering, and composition engineering are proposed to rationally design the nanostructures of the advanced carbon-based PIB anodes. Finally, we conclude the current challenges and provide our perspectives on the development of high-performance carbon materials for PIB anodes.     

Progress on multiphase layered transition metal oxide cathodes of sodium ion batteries

As one of the most promising secondary batteries in large-scale energy storage, sodium ion batteries (SIBs) have attracted wide attention due to the abundant raw materials and low cost. Layered transition metal oxides are one kind of popular cathode material candidates because of its easy synthesis and large theoretical specific capacity. Yet, the most common P2 and O3 phases show distinct structural characteristics respectively. O3 phase can serve as a sodium reservoir, but it usually suffers from serious phase transition and sluggish kinetics. For the P2 phase, it allows the fast sodium ion migration in the bulk and the structure can maintain stable, but it is lack of sodium, showing a great negative effect on Coulombic efficiency in full cell. Thus, single phase structure almost cannot achieve satisfied comprehensive sodium storage performances. Under these circumstances, exploiting novel multiphase cathodes showing synergetic effect may give solution to these problems. In this review, we summarize the recent development of multiphase layered transition metal oxide cathodes of SIBs, analyze the mechanism and prospect the future potential research directions.     

Carbon and Carbon Hybrid Materials as Anodes for Sodium‐Ion Batteries

Sodium‐ion batteries (SIBs) have attracted much attention for application in large‐scale grid energy storage owing to the abundance and low cost of sodium sources. However, low energy density and poor cycling life hinder practical application of SIBs. Recently, substantial efforts have been made to develop electrode materials to push forward large‐scale practical applications. Carbon materials can be directly used as anode materials, and they show excellent sodium storage performance. Additionally, designing and constructing carbon hybrid materials is an effective strategy to obtain high‐performance anodes for SIBs. In this review, we summarize recent research progress on carbon and carbon hybrid materials as anodes for SIBs. Nanostructural design to enhance the sodium storage performance of anode materials is discussed, and we offer some insight into the potential directions of and future high‐performance anode materials for SIBs.