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。     

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。     

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。     

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: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.     

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     

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.     

凝胶电解质软包钠离子电池的研究

近年来,钠离子电池因其在成本和低温性能方面具有独特优势而被广泛关注.由于层状氧化物正极与锂离子电池三元正极材料类似的制备工艺被率先推出,并将其与硬碳负极搭配组建钠离子电池.但是,由于钠离子电池层状氧化物残碱高、稳定性欠缺,在长循环过程中易引发电解液氧化分解而导致电芯产气,限制了软包钠离子电池的应用.本文采用凝胶电解质策略构建了凝胶电解质软包钠离子电池,并研究了该电池的电化学性能.结果表明,凝胶电解质对抑制电芯循环产气有显著作用,同时可以提高电芯的安全性能.     

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.     

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

Na-ion batteries (SIBs) are promising alternatives for Li-ion batteries owing to the natural abundance of sodium resources and similar energy storage mechanisms. Although significant progress has been achieved in research on SIBs, there remain several challenges to be addressed. One of the major challenges in the construction of high-performance SIBs is the development of suitable anode materials with a large reversible capacity, high cycling stability, and good rate performance. Alloying anode materials mainly composed of elements from Groups IVA and VA, as well as their alloys, have attracted widespread attention because of their low working voltage, high cost-effectiveness, and large theoretical capacity. Alloying-type anode materials can be alloyed with metallic Na to achieve large reversible capacities, ensuring a high energy density. Antimony is a promising anode material for SIBs owing to its high theoretical specific capacity (660 mAh·g⁻¹, corresponding to the full sodiation Na₃Sb alloy), small degree of electrode polarization (~0.25 V), appropriate Na⁺ deintercalation potential (0.5–0.75 V), low price, and environmental friendliness. However, an important challenge for using Sb-based anode materials is that the high specific capacity is accompanied by large volume changes during cycling. Such changes lead to the pulverization of the active materials and their falling off from the collector, which significantly limit their large-scale application in the field of sodium-ion batteries. Therefore, mitigating the volume expansion issue of Sb-based anode materials in the charge-discharge process is very important for the design of high-performance SIBs. In recent years, researchers have attempted to address this issue by designing special structures to prepare various composites, and substantial progress has been achieved in improving the electrochemical performance of SIBs. In this review, the relationship between the structure and properties of Sb-based materials and their applications in SIBs are presented and discussed in detail. The latest research progress on using Sb-based anode materials for SIBs in redox reaction mechanisms along with their morphology design, structure-performance relationship, etc. have been reviewed. The main objective of this review is to explore the determining factors of the performance of Sb-based anode materials to propose suitable modification strategies for improving their reversible capacity and cycle stability. Finally, future developments, challenges, and prospects of Sb-based anode materials for SIBs are discussed. Despite several challenges, Sb-based materials are very promising anode materials for SIBs with alloying reaction mechanisms. To further improve the large-scale application of Sb-based anode materials, it is necessary to optimize the binder, electrode structure, and electrolyte composition. The combination of in-depth studies on the electrochemical reaction mechanisms and advanced characterization technologies is important for the development and construction of advanced Sb-based anode materials for SIBs. Finally, to achieve extensive large-scale applications, it is necessary to further explore environmentally friendly, low-cost, and controllable synthetic technologies to prepare high-performance Sb-based anode materials. This review provides specific perspectives for the construction and optimization of Sb-based anode materials and suggests scope for future work on Sb-based anode materials, thereby promoting the rapid development and practical application of SIBs.      

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

锑(Sb)具有高的理论比容量、较小的电极极化、合适的Na⁺脱嵌电位、价格低廉以及环境友好的优势,而成为一种具有较大应用前景的钠离子电池负极材料。但是,Sb基负极材料的一个重要挑战是在循环过程中高比容量伴随着大的体积变化,进而导致活性材料粉化,并从集流体上脱落,这大大限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。因此,如何解决Sb基负极材料充放电过程中体积膨胀问题对于高性能的钠离子电池设计是至关重要的。本文详细综述和讨论了Sb基材料的结构-性能关系及其在钠离子电池中的应用,详细介绍了钠离子电池Sb基负极材料在氧化还原反应机理、形貌设计、结构-性能关系等方面的最新研究进展。本综述的主要目的是探讨影响Sb基负极材料性能的决定因素,从而提出有前途的改性策略,以提高其可逆容量和循环稳定性。最后,对Sb基钠离子电池负极材料的未来发展、面临的挑战和前景进行了展望。本文可为Sb负极材料的构建和优化提供具体的观点,阐明了Sb基负极材料未来的发展方向,从而促进钠离子电池的快速发展和实际应用。     

Research progress of tunnel-type sodium manganese oxide cathodes for SIBs

Among the large energy storage batteries, the sodium ion batteries（SIBs） are attracted huge interest due to the fact of its abundant raw materials and low cost, and has become the most promising secondary battery. Tunnel-type sodium manganese oxides（TMOs） are industrialized cathode materials because of their simple synthesis method and proficient electrochemical performance. Na_0.44MnO₂（NMO） is considered the best candidate material for all tunnel-type structural materials. ...     

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。     

Research progress on Na3V2(PO4)2F3-based cathode materials for sodium-ion batteries

Sodium-ion batteries (SIBs) have received significant attention in large-scale energy storage due to their low cost and abundant resources. To obtain high-performance SIBs, many intensive studies about electrode materials have been carried out, especially the cathode material. As various types of cathode material for SIBs, a 3D open framework structural Na₃V₂(PO₄)₂F₃ (NVPF) with Na superionic conductor (NASICON) structure is a promising cathode material owing to its high operating potential and high energy density. However, its electrochemical properties are severely limited by the poor electronic conductivity due to the insulated [PO₄] tetrahedral unit. In this review, the challenges and strategies for NVPF are presented, and the synthetic strategy for NVPF is also analyzed in detail. Furthermore, recent developments of modification research to enhance their electrochemical performance are discussed, including designing the crystal structure, adjusting the electrode structure, and optimizing the electrolyte components. Finally, further research and application for future development of NVPF are prospected.     

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。     

Deciphering an Abnormal Layered-Tunnel Heterostructure Induced by Chemical Substitution for the Sodium Oxide Cathode

Demands for large-scale energy storage systems have driven the development of layered transition-metal oxide cathodes for room-temperature rechargeable sodium ion batteries (SIBs). Now, an abnormal layered-tunnel heterostructure Na_0.44Co_0.1Mn_0.9O₂ cathode material induced by chemical element substitution is reported. By virtue of beneficial synergistic effects, this layered-tunnel electrode shows outstanding electrochemical performance in sodium half-cell system and excellent compatibility with hard carbon anode in sodium full-cell system. The underlying formation process, charge compensation mechanism, phase transition, and sodium-ion storage electrochemistry are clearly articulated and confirmed through combined analyses of in situ high-energy X-ray diffraction and ex situ X-ray absorption spectroscopy as well as operando X-ray diffraction. This crystal structure engineering regulation strategy offers a future outlook into advanced cathode materials for SIBs.     

钠离子电池用铁基正极材料的研究进展

气候变化和化石燃料枯竭等问题将促进新型绿色能源的开发和利用。因此,高效率、低成本、安全的储能系统,得到了越来越多的关注和研究。在各类储能系统中,二次电池是存储电能、为电子设备供电的最理想选择。目前,锂离子电池(LIBs)的应用最广泛。然而,地球上锂资源的短缺和分布不均造成的成本较高,急需研究和开发其他高性能的新型二次电池。钠元素具有地壳中储量丰富、均匀且与锂具有相似化学性质等优势,使得钠离子电池(SIBs)成为了取代LIBs最有前景的备选二次电池之一。然而,钠离子的体积较大、离子传导动力学更缓慢、导电性更差等问题,限制了SIBs高性能的实现,这是目前研究的难点和重点。此外,铁具有储量丰富、环境友好的特点,其在SIBs中的应用引起了电池领域科研工作者的广泛关注。因此,寻找良好的铁基正极材料成为SIBs高性能电极材料开发的一个重要研究方向。本综述对近年来SIBs铁基正极材料方面的研究进展进行了总结,并按照聚阴离子型化合物、过渡金属氧化物、普鲁士蓝及类似物和氟化物分类,进行了系统的阐述和分析。     

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。