钠离子储能材料和器件

余彦

中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥 230026

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，得到了研究者日益广泛的关注，有希望成为下一代主流储能体系2。然而，钠离子较大的离子半径和摩尔质量导致缓慢的离子扩散动力学和有限的循环寿命。钠离子电池商业化的挑战是探索具有高容量、长循环稳定性、合适的电压平台和高安全性的正负极材料，同时优化电解液的组成。

钠离子电池正极材料能够实现钠离子的可逆嵌入和脱出且电压平台高于2 V。常见的正极材料主要包括过渡金属氧化物正极和聚阴离子型正极两大类3。高比容量钠离子电池正极材料在Na+的反复嵌入和脱出过程中通常面临结构不稳定以及导电性差等问题。为此，研究者尝试一系列策略，以获得高的电子和离子电导率、稳定的结构以及较好的电解液匹配性的高性能钠离子电池正极材料。

对于钠离子电池负极材料，通常包括碳材料、嵌入类(如TiO2、Nb2O5等)、合金类(如Sn、Sb、P等)以及转化类(如过渡金属氧化物、硫化物、硒化物等)负极材料4。碳基和嵌入类负极材料，这类材料具有良好的循环稳定性，但理论比容量相对较低。转化类负极材料由于其理论容量大，合成方法简单，已成为钠离子电池负极研究的热点之一。但是这些材料大多数表现出较差的导电性，且在脱/嵌Na+过程中伴随较大的体积变化和金属团聚。合金类负极材料由于其超高的理论容量得到研究者的广泛关注，但在Na+脱/嵌过程中较大的体积变化严重制约电池的循环稳定性。因此，对于钠离子电池负极材料的研究，研究者着眼于从纳米化、杂原子掺杂、碳基体复合等方面提高其储钠性能。

电解液是钠离子电池中最主要的成分之一，同样深远地影响着钠离子电池的整体性能，合理的电解液配方设计可以提高电池的各方面的性能表现5。除此之外，固体电解质在全固态电池中起着关键的作用，具有更好的安全性。但是，不同于液态电解液，固态电解质与正负极材料的界面接触界面电阻较大，限制固态电池的进一步发展。如何实现电极材料和固态电解质间更好的界面性能是当前固态电池的研究热点6。

本特刊专辑邀请了国内部分从事高性能钠离子电池体系研究的学者团队，介绍他们近年来在钠离子电池若干方面的研究进展和总结。主要分为三类：高性能钠离子电池正极材料、负极材料、电解液与固体电解质等方面的研究。本期特刊包括了研究论文和综述，为读者呈现了该领域最新研究成果以及进展概述。

下面对这些研究和总结进行扼要介绍。

(1) 高性能钠离子电池正极材料

胡勇胜研究小组7首次报道了一种通过固相法设计并合成了一种新型P2相Na0.65Li0.13Mg0.13Ti0.74O2电极材料。测试表明，共生的两种结构能够提高材料的离子、电子传导，进而改善材料充放电过程中离子、电荷分布的均一性，从而提升材料的循环性能。

曹余良研究小组8报道了Na0.44MnO2在碱液中的可逆性与下限电位紧密相关，高稳定的Na0.44MnO2材料需要避免H+的嵌入。

麦立强研究小组9报道了一种原位相分离法合成V2O5/Fe2V4O13纳米复合材料，V2O5/Fe2V4O13纳米复合材料相对于V2O5纳米线材料，结构更加稳定，V2O5/Fe2V4O13纳米复合材料的研究为开拓新型高性能钠离子电池负极材料拓宽了思路。

姜银珠研究小组10综述了稳定性和安全性优异的聚阴离子型正极材料作为钠离子电池正极材料，探讨了决定材料动力学性能的本征因素-材料的结构，综述了目前聚阴离子型正极材料动力学性能的改进策略，如通过表面修饰、纳米工程和分级结构的设计等。同时提出从材料本身的角度出发，为钠离子的扩散机理或添加剂的作用机制提供更本质、更科学的解释。

梁叔全研究小组11综述了钠离子电池磷酸盐正极材料的新进展，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。

(2) 高性能钠离子电池负极材料

对于嵌入类负极材料，张校刚研究小组12报道了采用化学剥离和水热处理得到碳包覆的Ti2Nb2O9纳米片，对块状材料的纳米化以及后续对其进行的碳包覆，增加了活性反应位点，稳定了纳米片表面，使得钠离子具有有效的扩散通道和良好的电子导电性，表现出优异的储钠性能。

对于合金类负极材料的研究，梁静研究小组13报道了采用喷雾热解法合成了碳包覆的SnSb/C合金复合材料，该结构可以有效提高活性物质的利用率，促进电子、离子的传导，并且抑制纳米粒子在长循环过程中的粉化和团聚，表现出优异的储钠性能。

李喜飞研究小组14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。在未来的研究中，改善硬炭材料的SEI稳定性、提升储钠过程中的库伦效率、提高硬炭的导电性能、降低硬炭储钠时的电压滞后将成为实际应用中亟待解决的问题。

(3) 电解液与固体电解质

倪江锋研究小组15报道了一种不可燃的氟代碳酸酯基电解液。测试表明，该电解液体系不仅具有优异的阻燃能力，而且与钠离子电池的正负极都具有很好地相容性。在此电解液中，普鲁士蓝正极和商业化硬碳材料都表现了出色的电化学性能。

冯金奎研究小组16报道了聚碳酸丙烯酯基全固态聚合物电解质在室温下具有较高的电导率，且循环前后的阻抗测试表明该电解质与有机正极具有良好的兼容性。取代了传统液体有机电解液后，该全固态钠电池在室温下展示出了优异的循环性能。

吴川研究小组17综述了钠离子硫系化合物固态电解质的结构及性质，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。

纪效波研究小组18综述了Na-β-Al2O3、NASICON、硫化物无机钠离子固体电解质的研究进展，从离子电导率和界面稳定性等方面阐述了近年来的发展。通过设计改进电极和电解质界面来降低界面阻抗、增加电极与固体电解质接触面积、提高电解质的稳定性进而提高界面稳定性。

希望《物理化学学报》的广大读者能够喜欢这些文章，阅读愉快，并从中得到启迪。