钠电池材料检测的新方法

钠电池材料检测的新方法

钠离子电池（NIBs）作为锂离子电池的潜在替代品，近年来受到了广泛关注。本文将介绍钠电池的组成、工作原理及其在可持续能源应用中的重要性，并探讨钠离子电池阴极材料的研究进展。

考虑到日益严重的气候退化，开发高效、清洁和可再生的能源是当今可持续能源应用最具吸引力的主题之一。然而，可再生和清洁能源的全面部署只是间歇性的，并且严重依赖于时间、空间、季节和气候。更糟糕的是，一些人甚至无法顺利、安全地融入电网，以满足人类的日常需求和消费。

通过将可再生能源集成到大规模EES中的高性能和高成本效益的能源收集技术是首选，其中电化学能量存储系统，特别是二次电池或可充电电池，已经成为满足这一需求的有希望的候选者。

自1991年首次商业化以来，锂离子电池（LIBs）已广泛应用于便携式电子产品，并迅速扩展到电动汽车（EV）市场。LIBs的高能量和高功率密度意味着它们是电动汽车日益增长的需求中最有前途的候选者之一。

然而，锂金属储量有限、分布不均匀、成本不断上升，已成为大规模应用过程中的瓶颈。可充电钠离子电池（NIBs）具有大量的沉积物和低成本的特点，有望成为具有类似化学储存机制的LIBs的潜在替代品，如图1所示。

图1 NIB工作原理示意图

NIBs由两种电极材料（阴极和阳极）、由多孔复合聚合物膜制成的隔膜和溶解在有机液体溶剂中的钠盐电解质组成。尽管已经实现了巨大的原始技术创新和材料改进与发现，但仍在寻找具有高压电解质的新型电极材料，以及开发具有更高性能和更低成本的技术等。

由于钠离子阴极材料具有较好的化学稳定性和动态稳定性以及优异的储钠性能，近年来人们制备和研究了大量的钠嵌入化合物。几种晶体结构，如层状氧化物、隧道型氧化物、橄榄石结构、NASICON类型和一些聚阴离子结构类型（氧-、氟-、碳-、磷酸盐和六氰基高铁酸盐、硫酸盐等），已被认为是具有强大潜力的大规模固定EES的替代品。

来源于岩盐结构的层状氧化物通常适合于可逆嵌入，并且近年来由于其作为NIB的阴极嵌入材料的应用而引起了人们的兴趣。例如，最近，Mu等人[1]设计了一种新型的O3-Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2层状氧化物，其对水具有更好的稳定性，可提供约100 mA h g−1的可逆容量和优异的循环稳定性。

层状阴极材料在晶体结构的稳定性方面存在基本困难。鉴于其结构多样性和稳定性，一些聚阴离子骨架也是高功率容量的优秀候选者，其中它们的开放骨架为Na+离子提供了方便的扩散途径，并实现了快速的离子传输。然而，重聚阴离子基团经常降低电极的重量容量。此外，Lu等人[2]提出(PO4)3−、(SO4)2−、(SiO4)4−和(P2O7)4−基团中的强共价键通常导致高操作电势。由于普鲁士蓝化合物具有较大的碱离子通道，它们已被广泛用作快速脱钠/插层材料，但其较差的热稳定性和电化学稳定性仍有待进一步提高，到目前为止研究的各种阴极材料如图2所示。

图2 NIB阴极材料的工作电压与比容量的关系

[1] L. Mu, S. Xu, Y. Li, Y.-S. Hu, H. Li, L. Q. Chen, X. Huang, Adv. Mater. 2015, 27, 6928.
[2] J. Lu, S. C. Chung, S. Nishimura, A. Yamada, Chem. Mater. 2013, 25, 4557.