Best Paper Award
Progress in electrode materials for the industrialization of sodium-ion batteries
钠离子电池产业化电极材料研究进展
天津大学
陈亚楠 教授团队
研究背景
锂离子电池广泛应用在电动车、电子设备等众多领域中。近年来电动汽车需求的迅速增加，而锂资源由于分布集中于南美，并且现有技术难以大规模从海水中进行提取，因此面临锂供给短缺、价格飙升的困难局面。因此，钠离子电池（SIBs）重新受到更多关注，行业看好SIBs在众多领域替代锂离子电池，比如大型储能系统和低速电动汽车。相比于锂离子电池，SIBs在原料获取、成本、安全性方面具有明显优势。
电极材料是决定SIBs性能的关键。然而，循环稳定性、空气稳定性和能量密度的不足限制了SIBs的发展。本文从产业化的角度总结了SIBs的进展，包括适合电极大规模生产的制造方法和改善电化学性能的优化策略，最后提出了SIBs电极材料未来发展的方向。
研究方法及亮点
01. 电极材料合成方法
文章讨论了SIBs电极材料的各种方法，如溶剂热法和溶胶-凝胶法。作者指出，对于产业化，低成本和成熟的方法如共沉淀和高温固相合成更受青睐。
2.优化策略
表面涂层以提高空气稳定性和热稳定性、掺杂以改善电化学性能和空气稳定性，以及开发具有高循环稳定性和低温性能的材料。这些优化对于推进钠离子电池向工业应用迈进至关重要，重点是安全性、效率和成本效益。
3. 前景展望
作为锂离子电池替代品，SIBs的优势和潜力在于钠的丰富性和成本效益。未来应致力于改善电极材料的循环稳定性、能量密度等，以增强SIBs的竞争力；同时，安全性、空气稳定性和低温性能也是产业化和大规模应用的必要条件。
图文解析
图1.（a） Na3（VOPO4）2的大规模室温合成方案及其性质。（b） NFNM和Ti-NFNM的循环性能，电流密度为75mA g−1，库仑效率为100次循环；（c）NFNM和（d）Ti-NFNM的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。
图3. 多孔碳材料孔结构调控的示意图。通过减少开孔和缺陷，可以减少界面副反应的发生，从而在阳极上形成薄而均匀的SEI层。
图5. 通过分子层沉积过程在Na0.66Mn0.9Mg0.1O2粉末表面的涂层性能示意图。通过对硬币电池循环前后的分析，铝膜层可以保持局部离子结构，并最大限度地减少电池的整体极化，从而具有优越的高压稳定性。
结论与展望
本文从不同的角度总结了工业化的主流优化策略。首先，为了使器件在安全性方面表现良好，需要具有优异热稳定性的阴极和具有薄而均匀SEI层的阳极。此外，通过掺杂或涂覆适当的元素，可以提高阴极的空气稳定性和循环稳定性。对于应用中低成本的要求，选择铁锰基阴极材料可以满足要求，此外，生物质阳极材料也是降低成本的有效方法。对于低温性能，NASICON结构的聚阴离子材料表现出良好的低温可逆容量，一些研究也集中在提高层状阴极的低温性能上。
随着SIB产业化的发展，应努力同时提高电极材料的多种性能，以满足不同场景的应用需求，例如在满足一定循环稳定性和能量密度的同时尽可能降低材料成本，以获得更好的竞争力。然而，安全性、空气稳定性和低温性能等方面是SIB工业化生产和大规模应用的必要条件，应该是未来研究的重点。
引用此文章
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2022.12.003
作者简介
陈亚楠，天津大学材料科学与工程学院教授，主要从事新材料超快速制备研究及其在新能源领域中的应用研究。2016年，陈亚楠与胡良兵教授首次提出高温热冲击概念，并开创了基于高温热冲击概念的纳米材料超快合成这一新兴研究领域。以第一/通讯作者（含共同）在Nature Sustainability、Nature Comm. (2)、JACS (2)、Adv. Mater. (4)、Angew. Chem.、NSR、Materials Today (2)、Nano Letters (3)、ACS Nano、AEM (12)、AFM (2)等顶级期刊发表研究论文70余篇，多篇论文入选高被引论文。授权国家发明专利、美国发明专利10余项，专利转化多项（转化金额400万）。承担/参与基金委重大研究计划，科技部重点研发计划，国家科技基金等多项课题。担任国家自然科学基金，瑞士科学基金，中国科协青年托举项目，科技奖励，工信部创新创业大赛等评审专家。担任多种国际著名学术期刊审稿人，如Chemical Reviews、Nature Sustainability、Nature Comm.、Science Advances、Matter、Adv. Mater.等。
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2023年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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