钠离子电池聚阴离子型电极材料的挑战与展望

大规模的能量存储和转换(EES)是高效利用可再生能源(如风能、太阳能)的重要策略,而在现有的能源存储和转换技术中,可充电二次电池被认为是最有应用前景的方式之一。这归功于二次电池良好的便携性,易于维护和高效的能量转化效率等优点。尽管目前锂离子电池在消费电子市场占据主导地位,但是锂离子电池所面临的资源和价格瓶颈对其在大规模储能领域的应用形成了巨大的局限性。相比较而言,钠具有资源丰富、成本低廉的优势,因此,作为“后锂离子电池”中代表性的新体系,钠离子电池近年来在大规模能量存储和转化领域受到了极大的关注。目前,研究较多的钠离子电池电极材料有层状氧化物材料、聚阴离子材料、金属有机框架类材料、有机体系材料等。在这些材料体系之中,聚阴离子材料由于其独有的结构稳定性、安全性和合适的工作电压等优点被认为是长寿命、高安全性的室温钠离子电池电极材料最有前景的候选者之一。目前,聚阴离子型材料还存在电导率较低等本征问题,使这类材料在实用过程中表现出不佳的钠离子扩散行为和倍率性能,形成了阻碍其商业化应用的瓶颈。因此,如何全面的解决聚阴离子材料电导率低的问题对于低成本、长寿命钠离子电池的进一步发展具有重要的价值。

Untitled通过对近几年聚阴离子材料相关成果的综合分析,近日,来自北京理工大学材料学院的吴川教授课题组受邀在国际期刊Advanced Science上在线发表了题为“Polyanion-type Electrode Materials for Sodium-Ion Batteries”的综述文章,系统概述了磷酸盐、焦磷酸盐、混合磷酸盐、氟磷酸盐、硫酸盐、硅酸盐、碳酸磷酸盐、钼酸盐等类型聚阴离子钠离子电池电极材料的研究进展和其面临的研究难题。针对每一类具体的材料,作者对其晶体结构、开路电压、电化学反应机制、循环稳定性、倍率性能以及目前面临的挑战都进行了详细的讨论。在讨论聚阴离子材料研究意义上,作者举例提到:对于聚阴离子具有代表性的钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)3和负极材料NaTi2(PO4)3,都已经在钠离子电池中表现出极佳的电化学性能和商业化应用前景,而最近出现的碳酸磷酸盐Na3MnCO3PO4 和无定型的FePO4等材料又进一步拓展了聚阴离子材料研究的范围,这对于进一步探索不同种类聚阴离子储钠材料提供了更多的可能性。另外,对于如何解决聚阴离子材料电导率低的问题,作者还进一步提出了具体的构建策略:(1)构建不同维度的碳网络框架;(2)通过元素掺杂提高工作电压和钠离子扩散系数;(3)可控合成特殊形貌进一步优化结构稳定性;(4)设计和选择合适的电解液。最后,作者通过对不同类型的聚阴离子材料的相关电化学性能进行对比,提出要选择合适的钠离子电池聚阴离子电极材料,还应该同时考虑其工作电压、可逆容量和能量密度三者的相互关系。

    研究者相信,这为今后钠离子电池聚阴离子电极材料的研究提供了新的研究思路和理论基础,对于室温钠离子电池未来的商业化应用具有重要的参考价值。相关论文在线发表在Advanced Science((DOI: 10.1002/advs.201600275)上,本文的第一作者是北京理工大学的博士研究生倪乔。

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