钠离子电池正极材料商业化前景分析

电化学储能器件对当今社会具有重要作用。现今主要商业化的为锂离子电池,而作为与锂离子电池具有类似原理和结构的钠离子电池因为钠的高丰度和低成本使得它的应用前景将比锂离子电池更加广阔。然而其应用主要受限于钠离子较大的离子尺寸和缺乏高性能正极材料导致的低容量密度和较差的循环性能。随着科技的发展,许多种高性能钠离子电池正极材料已经被开发出来。

澳大利亚伍伦贡大学侴术雷团队通过对比其环境友好程度、材料成本、制备成本、性能(包括容量、循环、电压平台等)等方面详细总结论述了各种现有的高性能钠离子正极材料的商业化前景。 

AENM-yushulei

目前高性能的钠电正极材料主要有过渡族金属氧化物[NaxMO2,以下M均为过渡族金属元素];普鲁士蓝同系物A2Mп [Tп (CN)6] (A为碱金属元素,例如K,Na;T是过渡族金属元素,II代表化合价一般为+2价);磷酸盐和焦磷酸盐,主要包含简单的磷酸钠盐[NaMPO4],超钠离子导体[主要为NaxM2(PO4)3],焦磷酸盐[Na2MP2O7],焦磷酸-磷酸混合盐[Na4M3(PO4)2P2O7];氟代磷酸盐[Na2MPO4F 或者 Na3(VOx)2(PO4)2F3-2x];以及硫酸盐[NaMxSO4],氟化物[如MFx,NaMFx等]和有机物等。目前钠电正极材料中的Ni,Co,F,和V等元素由于成本或者对环境的危害较大不适宜于大规模商业化。有机化合物电压平台过低(1-1.5V),不适合做正极材料。结合材料成本、制备成本和性能分析目前过渡族金属氧化物,磷酸盐和焦磷酸盐以及普鲁士蓝同系物最适合使用低成本的固相烧结法和沉淀法大批量制备,而且产率高性能较好;因而适于商业化应用。 特别是其中O3结构的Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2, P2结构的Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2, 隧道结构的Na0.61[Mn0.27Fe0.34Ti0.39]O2, 具有低成本高性能,是过渡族金属氧化系列中最具潜力的商业化钠电池正极材料。普鲁士蓝系列中铁基铁氰化物(NaxFe[Fe(CN)6])和Mn基铁氰化物(NaxMn[Fe(CN)6])性能优异成本低,最具商业化潜力。而在磷酸盐和焦磷酸盐中磷铁钠矿-NaFePO4和Na4Fe3(PO4)2P2O7 在所有同系物中拥有较高的性能和较低的材料、合成成本,最具商业潜力。为了实现钠离子电池的商业化,目前上述的几种低成本钠离子正极材料需要进一步改善其容量和循环性能,以及材料稳定性。

相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700274)上,第一作者为侴术雷团队李维杰博士。

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