室温钠离子电池关键材料研究进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、价格低廉在大规模储能领域有着重要应用前景. 然而,钠离子相对锂离子较大的半径和质量限制了它在电极材料中的可逆脱嵌,导致其电化学性能不佳. 因此研发稳定、高效储钠的高比能电极材料是钠离子电池实用化的关键. 另外,进一步优化与电极材料相匹配的电解质来实现高安全、长寿命钠离子电池的构建,推动其商业化进程,也是迫切需要解决的问题. 本文主要对室温钠离子电池关键材料（包括正极、负极和电解质材料）的研究进展进行简要综述,并探讨了其面临的困难及可行的解决方案,为钠离子电池的发展提供一定参考依据.     

钠离子电池负极材料

钠离子电池具有钠资源丰富和成本低廉等特点,吸引了国内外研究者的广泛关注,被认为是今后在规模储能领域可能替代锂离子电池的最佳候选。近几年钠离子电池的研究相继取得了重要进展,研究体系不断丰富。本文对钠离子电池负极材料的研究现状进行了详细的综述,重点介绍了碳基材料、合金材料、非金属单质、金属氧化物以及有机化合物等嵌钠性能及可能的嵌钠机理。探讨了这些材料目前所面临的主要问题及可能的解决策略,并对钠离子电池今后的研究方向和应用前景进行了展望。     

钠离子电池硬炭负极材料的研究进展

钠离子电池凭借着丰富的钠资源、低廉的物料成本以及良好的低温性能等优势,在储能领域与锂离子电池兼容互补.因此,加速推进钠离子电池商业化可以降低锂资源供应风险,确保新能源行业的长期健康发展.由于钠离子的半径较大,而负极材料作为其插层的宿主材料,对相关的设计和发展要求则更高.目前,硬炭材料是公认的钠离子电池负极材料的理想选择之一,也是最有可能实现大规模商业化生产的负极材料.本文以钠离子电池商业化的瓶颈作为切入点,对硬炭的材料特点、储钠机理及功能化设计策略进行了综合评述.最后,对这一技术领域的未来发展和挑战进行了展望.     

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。     

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.     

基于P2-Na_(0.7)CoO_2微球的高性能钠离子电池正极材料

<正>钠具有资源丰富、价格低廉、环境友好以及与锂相似的电化学性质等特点。相比于锂离子电池,钠离子电池更适合应用于大规模储能,近年来得到了研究人员的广泛关注~(1,2)。目前,所研究的钠离子电池正极材料主要有层状金属氧化物、隧道型金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子型化合物等。其中,层状过渡金属氧化物正极材料由于体系丰富、电化学活性     

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.     

《能源电化学材料》专辑序言

以电化学能量储存和转化为特点的电池、电容器等储能技术,正在信息通讯、新能源汽车、微电网、分布式发电、大型电力储能、智能电网等领域得到广泛应用,将有力推动能源互联网的快速发展. 作为储能核心技术之一的锂电池、钠电池与超级电容器,更加受到重视. 这些电化学储能装置的性能依赖于所使用的电极材料与结构等. 发展高能量密度、高功率密度和长循环寿命的低成本储能体系成为能源电化学材料研究的核心. 本专辑围绕锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等,收录了在该领域具有丰富研究经验的团队所撰写的8篇相关综述和研究论文. 其中,围绕下一代锂离子电池负极硅材料,邀请了3篇综述和研究论文;鉴于丰富的钠资源,在钠离子电池研究方面也邀请了3篇综述论文;同时在高能量密度的锂硫电池和高功率密度的超级电容器方面各邀请1篇论文. 从这些论文中,可以部分看出锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等能源电化学材料的研究进展. 希望借助此专辑的出版,能使广大读者更好地了解上述几类电池、电容器的研究现状,研究趋势和存在问题及挑战,为更深入地开展该领域研究提供参考,以推动我国能源电化学材料研究的进一步发展. 在此,对专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤劳动,表示最衷心的感谢！     

高比能钠离子电池预钠化技术研究进展

钠离子电池有望取代锂离子电池实现大规模储能应用。然而,储钠负极材料具有较低的初始库伦效率,制约了高比能钠离子电池的开发。预钠化技术被认为是补偿负极活性钠损失、提升电池能量密度的最直接有效的方法,对于钠离子电池的商业化应用具有重要意义。本文全面总结近年来预钠化技术的最新研究进展,包括短接法预钠化、电化学预钠化、钠金属物理预钠化、化学预钠化和正极补钠添加剂等,并从反应原理、安全性、可操作性、处理效率和可放大性等角度分析讨论现有各技术方案的优势及面临的挑战;着重介绍化学预钠化和正极补钠添加剂,这两类最具应用前景的预钠化技术的最新成果,进而从实用化角度深入探讨仍待解决的科学问题和技术难点。本文可为预钠化技术的进一步优化和高比能钠离子电池的开发提供思路。     

钠离子储能材料和器件

正锂离子电池由于其高的能量密度和功率密度被广泛应用于便携式电子设备、电动交通工具和航空航天等领域1。然而,锂资源在全球储量匮乏且分布不均以及储能市场需求的日益增加,阻碍锂离子电池的进一步发展。近年来,钠离子电池由于钠资源储量丰富、合适的电化学平台、低廉的价格以及与锂离子电池相似的储能机理,得到了研     

磷酸钒钠Na_3V_2(PO_4)_3电化学储能研究进展

锂离子电池在全球范围内的广泛应用加剧了对锂资源的消耗,其成本和原料将限制其未来发展。钠与锂具有相似物理化学性质,并且储量丰富。根据锂离子"摇椅式"电池原理,富钠离子化合物可类似富锂离子正极材料,提供可脱嵌的钠离子及结构。钠离子较锂离子大,其可逆脱嵌反应要求材料结构具有较大的容钠位与离子迁移通道。聚阴离子体磷酸钒钠Na_3V_2(PO_4)_3属于钠离子超导体(NASICON)材料,其NASICON结构骨架形成了稳定的容钠位,并且开放的三维离子迁移通道利于提高钠离子的扩散。Na_3V_2(PO_4)_3作为电池正极材料,具有理想的比容量、电压平台与循环稳定性,从而受到了广泛关注。本文首先介绍了Na_3V_2(PO_4)_3结构特点,其次结合团队已有的工作基础对Na_3V_2(PO_4)_3在钠离子电池、混合离子电池、水系电池,混合超级电容器等体系中的应用与反应机理进行了阐述;总结了基于Na_3V_2(PO_4)_3设计的复合材料与结构并探讨了Na_3V_2(PO_4)_3可能存在的问题与未来发展趋势。     

钠离子电池:储能电池的一种新选择

钠离子电池在20世纪70年代末80年代初得到关注,但因锂离子电池优异的电化学性能而没有得到广泛研究.随着电动汽车、智能电网时代的到来,锂资源短缺将成为制约其发展的重要因素.因此,亟需发展下一代综合性能优异的储能电池体系.钠和锂具有相似的物化性质,且钠资源丰富,成本低廉,是非常有发展潜力的电池体系,近年来得到了国内外研究人员的广泛关注.简要综述了近年来钠离子电池的研究成果,就层状Nax MO2(M=Co,Ni,Fe,Mn,V等)材料、聚阴离子型材料、金属氟化物等正极材料及碳基负极材料、合金和金属氧化物等负极材料的电化学性能进行了介绍,阐述了有机体系电解质和凝胶电解质在钠离子电池中的应用,并对其存在的问题以及未来发展方向作了探讨.     

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。     

钠离子电池碳负极材料的研究进展

钠离子电池具有资源丰富和成本低等优势,在大规模储能领域受到广泛的关注.开发具有高比容量和长循环稳定性的电极材料是钠离子电池走向应用的关键.碳材料作为钠离子电池的负极材料,具有可调控性高与稳定性好等优势,具有应用潜力.目前,研究较为广泛的碳材料主要包括石墨、无定形碳、杂原子掺杂碳、生物质合成碳,但这些碳负极材料存在着钠-石墨化合物热力学不稳定、较大的体积变化以及初始库伦效率低等问题,制约了钠离子电池的发展与广泛应用.通过对碳材料的结构进行修饰改性及将其与电解液进行匹配,可以有效提升其储钠性能.本文对这几类碳材料的结构特点、电化学性能、储钠机理、面临的问题、改进方法以及商业化前景进行总结,为钠离子电池碳负极材料的发展提供新见解.     

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.     

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.     

中空碳材料用于钠离子电池负极的研究进展

实现钠离子电池等储能设备的大规模应用对于能源的可持续发展以及完成“碳达峰碳中和”目标具有重要意义.开发高性能的负极材料可提升钠离子电池的能量密度和循环稳定性,是实现钠离子电池大规模应用的关键性因素.中空碳材料因其独特的结构而具有优异的倍率性能与循环稳定性,作为钠离子负极材料具有广阔的应用前景.本文从多角度出发,综合评述了中空碳材料的合成方法,以及其形貌、杂原子修饰策略与储钠性能之间的关系,并对其未来发展方向进行了展望.     

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。     

普鲁士蓝类材料在钠离子电池中的研究进展

近年来,钠离子电池以其独特的优势引起了研究者广泛的关注,有望成为下一代可商业化的储能设备。然而,钠离子电池的发展也面临着诸多的挑战。以普鲁士蓝为代表的新型储能材料,具有开放式框架体系和多孔道结构,能容纳钠离子自由快速脱嵌,从而有效提高钠离子电池的电化学性能。本文从制备工艺、材料机理、修饰方法三方面综述了普鲁士蓝材料在钠离子电池领域的应用现状。特别介绍了迁移离子、过渡金属、结合水与空位对钠离子电池电化学性能的影响。同时,总结了基于普鲁士蓝类材料的水性电池、杂化电池和适配电解液的研究现状。最后,对目前应用中存在的问题和研究重点做了简要评论,展望了该研究领域下一步的发展方向和应用前景。     

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼有锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景. 但其产业化仍存在一系列的基础及工艺方面的问题,具体包括器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等. 本文结合作者课题组的研究工作介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.