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.     

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.     

钠离子电池微/纳结构电极材料研究

钠离子电池电极材料资源丰富,价格低廉. 然而,现阶段钠离子电池电极材料的性能还不理想,开发合适的电极材料是实现髙容量、长循环寿命钠离子电池的关键. 本文将以作者近期的研究工作为主,着重讨论几种微/纳米材料作为钠离子电池电极的性能及作用机理,并展望其今后的发展趋势.     

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。     

静电纺丝在钠离子电池中的应用研究进展

钠离子电池具有与锂离子电池相似工作机理,因其原料资源丰富,是一种极具应用前景的新一代储能设备.然而,钠离子电池面临着电极材料体积膨胀过大、钠离子传输动力学较慢和能量密度偏低等问题,阻碍了其实用化.静电纺丝技术合成的一维钠离子电池电极材料,可通过形貌调控或碳复合方式有效缓冲储钠过程中电极的体积膨胀,而且具有连续的电子传递和较短的离子传输路径,从而改善钠离子传输动力学,以提高电池倍率性能.通过电纺还可简便地制备直接用于钠离子电池的柔性纤维膜来提高电池的能量密度.综述了静电纺丝技术制备钠离子电池材料的研究进展,主要包括正极和负极材料,对今后静电纺丝在钠离子电池中的发展进行了展望.     

水系钠离子电池的研究进展及实用化挑战

水系钠离子电池因其安全性高、成本低、环境友好等突出优势近些年来受到了广泛而深入的研究, 在取得巨大进展的同时也逐步开始了产业化进程. 但是与有机体系二次电池相比, 水系钠离子电池仍然极大地受限于电解液较窄的电化学稳定窗口和电极材料较差的循环稳定性. 迄今为止, 如何解决上述问题依然是这一领域发展的关键. 本综述主要概述了水系钠离子电池电极材料、电解液以及集流体的最新进展, 分析了开发高性能水系钠离子电池的挑战和可能的解决策略, 并进一步讨论了水系钠离子电池的发展前景.     

锂/钠离子电池材料的固体核磁共振研究进展

固体核磁共振技术是一种定量分析固体材料结构与组成的强有力手段,结合固体核磁共振和常规x-射线衍射(XRD)、 x-射线吸收谱(XAS)等表征方法可对锂/钠离子电池材料在电化学反应中的结构演化过程进行全面的分析. 例如通过固体核磁共振研究, 可获得不同合成与修饰条件下, 锂/钠离子电池电极和电解质材料体相以及电极/电解质界面层的化学组成、局域结构和离子扩散动力学等信息,为高性能电池材料的设计和研发提供重要的基础数据. 本文结合本课题组的研究工作,综述了近三年来国内外固体核磁共振技术在锂/钠离子电池电极、电解质材料以及固体电解质界面膜（SEI）研究中的应用和进展.     

钠离子电池炭基负极材料研究进展

钠离子电池是目前新兴的低成本储能技术,因在大规模电化学储能中具有较好的应用前景而受到了国内外学者广泛的关注与研究。作为钠离子电池的关键电极材料之一,非石墨的炭质材料因具有储钠活性高、成本低廉、无毒无害等诸多优点,而被认为是钠离子电池实际应用时负极的最佳选择。本文详细综述了目前钠离子电池炭基负极材料的研究进展,重点介绍了炭质材料的储钠机理与特性,分析了炭材料结构与电化学性能之间的关系,探讨了其存在的问题,为钠离子电池炭基负极材料的发展提供有益的认识。     

全固态钠离子电池硫系化合物电解质

全固态钠离子电池具有资源丰富、安全性高等优势,作为未来大规模储能的重要选择而成为近年来先进二次电池前沿研究热点。钠离子硫系化合物电解质室温离子电导率高、弹性模量高、容易冷压成型,能增强电极/电解质界面接触、减小界面阻抗、缓冲电极材料在充放电过程中的应力/应变,是全固态钠离子电池的研究重点。本文对钠离子硫系化合物固态电解质的结构及性质进行了总结,讨论了硫系化合物电解质的本征特性、与电极的界面稳定性,并介绍了硫系化合物全固态钠离子电池的研究现状,最后分析了硫系化合物电解质面临的挑战及今后的发展方向。     

钠离子电池电极材料的设计策略——固态离子学视角

钠离子电池是目前最有前景及可行性的新兴储能候选体系。对于钠离子电池而言，如何实现其电极材料的理性设计及构筑，是重要的科学问题。本文立足于钠离子/电子输运这一核心问题，从固态离子学视角探讨钠离子电池电极材料的设计策略。首先，对于体相电极材料，输运特性的明晰、调控以及缺陷化学模型的建立，是传统电极材料开发的关键。其次，对于纳米电极材料，随着尺寸的减小，电极材料的热力学性质、动力学特性以及钠离子微观储输机制都会发生相应变化，因此从纳米离子学视角，以尺寸效应调控电极材料具有重要的科学价值及现实意义。最后，无论对于体相材料还是纳米材料，从材料的本征输运特性出发，通过电化学电路的设计和构筑来优化电极动力学，可以为钠电电极材料的理性设计及可控制备提供理论指导。我们相信，通过本文系统地对钠离子电池电极材料设计策略的梳理，必将对钠离子电池的开发，提供有意义的指导，并为最终的产业化打下良好的基础。     

室温钠离子储能电池电极材料结构研究进展

随着风能和太阳能等新能源的大规模发展及未来智能电网的实现,大规模储能系统显得越来越重要.室温钠离子电池以较低的成本再次引起了研究者的兴趣,并成为一种有前途、低成本的储能体系.目前,已提出多种材料可作为钠离子电池的电极材料.一般而言,材料的性质主要由材料的晶体结构决定,本文主要介绍目前提出的多种可行室温钠离子电池电极材料的晶体结构,希望通过总结已有电极材料的晶体结构,对新材料的设计提供指导.     

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。     

钠离子电池用碳负极材料研究进展

相较于目前主流的锂离子电池,钠离子电池成本相对较低,因而有望在未来大规模储能系统中获得重要应用,然而其实用化进程仍受制于缺少合适的正负极材料,特别是性能优异且实用化的负极材料.钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理,但钠离子和锂离子在碳负极材料中的储存行为却有着很大的不同.总体而言,碳材料仍是目前最有望促进钠离子电池实用化的关键负极材料.本文系统总结并分析了目前已有碳材料中钠离子的储存机制,对负极材料的设计思路和研究进展进行了概述,着重阐述了商用化碳分子筛在钠离子电池中的实用化前景.最后,本文对钠离子电池中碳负极材料的未来发展方向进行了展望.     

全固态钠离子电池及界面改性

全固态钠离子电池具有原料成本低、安全性高以及能量密度高等特点,在移动电源、电动汽车和大规模储能系统领域表现出巨大的应用潜力。然而全固态钠离子电池的发展和规模化应用亟需解决固体电解质室温离子电导率低、界面电荷转移阻抗大、固体电解质与电极界面兼容性和接触差等问题。本文结合近年来全固态钠离子电池相关报道和本课题组研究成果,概述了β-Al₂O₃型固体电解质、NASICON型固体电解质、硫化物固体电解质、聚合物固体电解质、复合固体电解质的研究进展及发展趋势;综述了全固态钠离子电池界面特性、固体电解质表面修饰、电极/固体电解质界面改性最新研究成果;最后对全固态钠离子电池界面改性策略发展方向进行了展望。本综述有助于加深对全固态钠离子电池界面科学问题的认识,并对固态钠离子电池的发展应用形成理论指导。     

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。     

水系钠离子电池电极材料研究进展

随着太阳能、风能等可再生能源发电并网普及应用和智能电网建设,储能技术成为能源优化利用的核心技术之一。水系钠离子电池具有资源丰富、价格低廉等优势,作为未来电网储能的重要选择而成为近年来电化学储能技术前沿的研究热点。由于受到水的热力学电化学窗口限制及嵌钠反应的特殊性(例如溶液的pH值、氧的溶解等),以及容量、电化学电位、适应性及催化效应等,电极材料选择面临挑战,进而影响水系钠离子电池的应用。因此,电极材料成为水系钠离子电池的研究重点。本文简要概括了水系钠离子电池的特点,并对氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物和有机物等电极材料体系的最新研究进展进行了总结,并概括了将来的发展方向,为推动水系钠离子电池的发展和能源优化研究奠定了基础。     

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.     

钠离子储能电池关键材料

钠离子电池是一种新型电化学电源,具有原材料资源丰富、成本较低、比容量和效率较高等优点,较为符合规模化储能应用要求,在提升大规模可再生能源并网接入能力、提高电能使用效率和电能质量方面具有应用潜力。在这一背景下,钠离子电池近年来引起全世界范围内的广泛关注,关键材料和相关技术研究进展迅速。本文从钠离子电池的负极材料和正极材料两方面对近年来的主要研究工作进行综述,同时简略介绍了与之匹配的电解质体系的研究进展,讨论了当前面临的主要技术关键点和难点,并尝试对我国科研和产业工作者在该领域的研究工作提出一些建议。     

钠离子电池合金化负极材料研究及应用进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、分布广泛、价格低廉的优势在大规模储能领域具有重要的应用前景,可与锂离子电池形成优势互补.负极材料是电池化学的关键组成,其能量密度、使用寿命等直接影响着电池性能.合金化材料具有理论比容量高、工作电压适宜等优势,被认为是一类有应用潜力的储钠负极.然而,这类材料发生合金化反应时体积膨胀严重,电极材料易粉化脱落,造成电化学稳定性欠佳.目前,主要通过材料微纳结构设计、界面化学调控、碳材料复合、表面包覆、电解液优化等方法来改善其电化学性能.本文综述了合金化负极材料的最新研究进展,探讨了其发展面临的瓶颈以及解决方案,介绍了基于合金化负极的钠离子全电池构筑策略和应用实例,为高性能钠离子电池的发展提供一定参考依据.