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近年来，太阳能、风能等可再生能源发电技术取得了长足进步，但受自然条件影响，存在随机性、间歇性和波动性等问题，弃风弃光率居高不下，因此，亟需开发大规模储能系统。在储能技术中，二次电池被认为是大规模储能系统的优选。钠离子电池经过数十年沉寂，在大规模储能领域重焕光彩，被认为是高性价比的锂离子电池替代品。寻找合适的电极材料，是钠离子电池的研究焦点。
层状氧化物作为钠离子电池正极材料，由于比容量高等优点，受到越来越多关注。尽管如此，层状氧化物仍面临严峻挑战，例如不可逆相变、存储不稳定、性能不足等。
本文认真总结了近年来钠离子电池层状氧化物正极材料研究，分析了层状氧化物在实际应用中面临的问题，综述了现有材料改性策略，梳理了掺杂、复合、高熵材料和微结构调制等改性方法，以期设计更优的层状氧化物正极材料。
图1. 钠离子电池的优点。
钠离子电池在生产过程和实际应用中有着诸多优点，有望在储能领域中发挥重要作用，有望应对锂短缺的问题。
图2. “摇椅式”钠离子电池工作原理。
钠离子电池与锂离子电池具有相似的“摇椅式”工作机制，其中碱金属离子在正负极之间往复穿梭。
图3. 钠离子电池层状氧化物正极材料面临的挑战及改性策略。
层状氧化物正极材料面临各种挑战，因此研究人员发展了多种策略对层状氧化物进行改性，例如掺杂、复合、高熵材料和微结构调制等。
图4. 掺杂用于层状氧化物的改性。铌掺杂不仅能扩大层间距，而且能诱导表面预构，从而形成了稳定的电化学界面膜，抑制相变和表面降解，从而稳定循环过程中钠离子的脱嵌反应。
复杂相变对层状氧化物材料的倍率性能和循环稳定性等电化学性能产生不利影响，因此，如何在钠离子脱嵌过程中维持层状氧化物的稳定结构成为研究焦点。
图5. 层状氧化物的复合改性。复合P2和O3型层状氧化物材料的结构化学和分布研究。
层状氧化物正极材料的研究目前主要集中在P2和O3型。将不同结构类型的层状氧化物复合，利用其互补性质，以达到材料的更好性能。
图6. 高熵材料用于层状氧化物的改性。高熵材料中多组分氧化物的组成能够扩大层间距，有利于钠离子的传输；此外，扩大的层间距可以减轻三价镍活性中心的姜泰勒畸变。
高熵氧化物是目前研究的热门材料，由于其高度复杂的组分，这些材料通常表现出卓越的性能，包括但不限于高韧性、高强度及出色的宽温域电化学性能。
图7. 微结构调制用于层状氧化物的改性。设计具有独特“柱梁”结构的材料，其中少量惰性钾离子作为支柱来支撑层状结构的框架，使得钠离子扩散更顺畅。
扩散动力学对电极材料的倍率性能有着重要的影响；对于大多数层状氧化物正极材料来说，钠离子在体相中的扩散通常是限制材料电化学性能的主要因素，合理的微结构调制是提高钠离子扩散速率、增强结构稳定性的有效方法。
本文对钠离子电池层状氧化物正极材料进行了综述，总结了层状氧化物的研究进展并进行展望，重点关注层状氧化物在应用中面临的问题，梳理了改性策略，期待钠离子电池在新一轮能源革命中发挥积极作用。
H. Gao, J. Zeng, Z. Sun, X. Jiang, X. Wang*,
“Advances in layered transition metal oxide cathodes for sodium-ion batteries”, Mater. Today Energy 2024, 42, 101551.
https://doi.org/10.1016/j.mtener.2024.101551
通讯作者简介：
王学斌，从事新能源材料化学与物理研究，主要包括功能材料的制备与物性调控，电化学能量存储与转换及导热复合材料等应用研究。主持国家自然科学基金项目等10余项，已在Nat. Commun., Adv. Mater.等期刊发表论文90余篇，引用9000余次，申请专利10余件，长期任Nat. Commun.等期刊审稿人。
信息来源：科研助推器
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