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《韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授 | Advanced Energy Materials长文综述：实用钠离子电池正极材料——层状氧化物的最新研究进展》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2023-11-12

  • 来自材料牛

    【工作介绍】

    由于潜在的成本和安全优势，钠离子电池系统吸引了学术界和工业界的广泛兴趣。然而，这两个领域之间存在差距，需要通过进一步的研究努力来弥补。作为潜在的商业化钠离子电池正极材料，普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物和过渡金属层状氧化物由于具有独特的物理、化学性质而备受关注。因此，本综述首先从电化学性能、成本、安全性和环境影响等方面讨论了上述候选正极材料的商业化前景。通过综合评估，具有良好的电化学性能、低成本、可扩展性、环境友好和高安全性的层状氧化物表现出最佳的综合性能，因此被认为是最合适的商业化正极材料。然而，层状氧化物仍有一些科学问题和重大缺陷需要得到解决。因此，本综述总结了用于钠离子电池的O3型层状氧化物正极材料的主要挑战，并概述了最新的优化策略（包括：成分、结构和界面），以弥合学术界和工业界之间的差距。此外，本综述还简要地概述了钠离子电池负极材料和电解液的研究进展和未来发展目标以期进一步推动钠离子电池的商业化发展。

    【主要内容】

    近几十年来，钠离子电池越来越受到关注，因为它们具有成本和安全优势。并避免了与有限的锂/钴/镍资源和环境污染有关的挑战。由于钠离子电池的储钠性能和生产成本几乎由正极性能决定，因此开发具有大规模生产能力的先进正极材料是实现钠离子电池商业应用的关键。因此，开发具有高能量密度、长循环寿命、低生产成本和高化学/环境稳定性的正极材料对于实施先进的钠离子电池至关重要。在已开发的钠离子电池正极材料中，O3型过渡金属氧化物因其合成方法简单、理论比容量高、钠含量充足而受到广泛关注。然而，相对较大的钠离子半径导致在脱/嵌过程中缓慢的离子扩散动力学和不可避免的复杂相变，导致较差的倍率性能和循环稳定性。因此，本文全面总结了O3型正极的研究进展和改性策略，包括组分设计、表面工程和合成方法的优化。这项工作旨在指导层状氧化物的开发，并为下一代储能系统提供技术支持。


    【总结和展望】

    具有成本和安全优势的钠离子电池在下一代大规模储能系统和中程电动汽车中取代锂离子电池显示出巨大的潜力。在全电池应用中，具有足够钠离子的O3型层状氧化物由于其高工作电压、高可逆容量、长使用寿命、低生产成本和实用性而被认为是最有前途的正极候选者。然而，它们缓慢的钠离子动力学、复杂的相演化过程、在循环过程中形成微裂纹和表面重建的倾向，以及空气敏感性是限制其大规模应用的主要因素。最近的研究表明，通过合理的成分/结构设计定制层状氧化物可以有效地克服一些固有的缺点，这对促进钠离子电池的商业化具有重要意义。因此，本文综述了O3型正极材料在钠离子电池中的发展现状，并为其大规模应用提供了建设性的前景。通过结合多种优化策略，O3型正极在钠离子电池系统中有望实现高容量（>180 mA h g?1）、高工作电压（>3.6 V）和良好热稳定性（放热峰值>270 °C），这被认为是商业锂离子电池技术的重要补充。在未来几年，我们希望钠离子电池的电化学性能将得到进一步提高，为学术界和工业界创造机会。

    【文章链接】

    Xinghui Liang, Jang-Yeon Hwang, and Yang-Kook Sun, Practical Cathodes for Sodium-Ion Batteries: Who Will Take The Crown? Advanced Energy Materials, 2023, 2301975, https://doi.org/10.1002/aenm.202301975.

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202301975#

  • 原文来源：http://www.cailiaoniu.com/253690.html
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    • 钠离子电池由于资源丰富、价格低廉、环境友好等优势，逐渐成为储能电池领域的研究热点。开发低成本、高性能和稳定的储钠正负极材料是钠离子电池应用的关键。近年来，大量的储钠正负极材料已被报道，一些材料的性能已接近应用要求，为钠离子电池的发展提供了基础。在这些材料中，铁基电极材料由于具有成本低、结构多样、安全稳定等特点，被认为是大规模储能电极材料的理想选择。 　　近日，武汉大学曹余良教授课题组以“Recent Progress in Iron-Based Electrode Materials for Grid-Scale Sodium-Ion Batteries”为题在Small上发表了综述文章，文章系统地总结了铁基电极材料在钠离子电池的应用性能，具体讨论了含铁的氧化物、聚阴离子、亚铁氰化物、硫化物、磷化物等电极材料的结构及其储钠行为。同时，对材料的电极反应机理、材料结构-组成-性质关系、提高材料性能途径、材料发展方向等方面作了系统分析和总结。 　　 　　从综述内容看，铁基正极材料具有多种结构形式，而这些铁基正极材料表现出较高的能量密度，如Na2MnFe(CN)6和 Na2CoFe(CN)6材料具有~525 Wh/kg的比能量（相对于金属钠负极），与一些锂离子电极材料的能量密度相近（Li/LiFePO4, 510 Wh/kg; Li/LiCoO2, 530 Wh/kg; Li/LiMn2O4, 429 Wh/kg），具有非常潜在的应用价值。同时，聚阴离子材料（NaFePO4，Na2FeP2O7和Na3Fe4(PO4)2(P2O7)等）由于具有较为稳定的框架结构，导致其优异的热稳定性和循环稳定性，这为开发低成本和安全的钠离子储能电池提供了可选材料体系。铁基负极材料主要表现出转换反应的储钠机制，设计合适的电极结构（如导电碳骨架和纳米化），可以有效地提高材料的电化学性能。然而，许多铁基电极材料的性能与理论值还有较大差距，表明仍具有继续提升其性能的潜力，还有许多工作有待深入研究。 　　相关工作发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201703116)上，并于当期Front Cover作简要介绍。
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