钠离子电池铁基电极材料研究进展

钠离子电池由于资源丰富、价格低廉、环境友好等优势,逐渐成为储能电池领域的研究热点。开发低成本、高性能和稳定的储钠正负极材料是钠离子电池应用的关键。近年来,大量的储钠正负极材料已被报道,一些材料的性能已接近应用要求,为钠离子电池的发展提供了基础。在这些材料中,铁基电极材料由于具有成本低、结构多样、安全稳定等特点,被认为是大规模储能电极材料的理想选择。

近日,武汉大学曹余良教授课题组以“Recent Progress in Iron-Based Electrode Materials for Grid-Scale Sodium-Ion Batteries”为题在Small上发表了综述文章,文章系统地总结了铁基电极材料在钠离子电池的应用性能,具体讨论了含铁的氧化物、聚阴离子、亚铁氰化物、硫化物、磷化物等电极材料的结构及其储钠行为。同时,对材料的电极反应机理、材料结构-组成-性质关系、提高材料性能途径、材料发展方向等方面作了系统分析和总结。

从综述内容看,铁基正极材料具有多种结构形式,而这些铁基正极材料表现出较高的能量密度,如Na2MnFe(CN)6和 Na2CoFe(CN)6材料具有~525 Wh/kg的比能量(相对于金属钠负极),与一些锂离子电极材料的能量密度相近(Li/LiFePO4, 510 Wh/kg; Li/LiCoO2, 530 Wh/kg; Li/LiMn2O4, 429 Wh/kg),具有非常潜在的应用价值。同时,聚阴离子材料(NaFePO4,Na2FeP2O7和Na3Fe4(PO4)2(P2O7)等)由于具有较为稳定的框架结构,导致其优异的热稳定性和循环稳定性,这为开发低成本和安全的钠离子储能电池提供了可选材料体系。铁基负极材料主要表现出转换反应的储钠机制,设计合适的电极结构(如导电碳骨架和纳米化),可以有效地提高材料的电化学性能。然而,许多铁基电极材料的性能与理论值还有较大差距,表明仍具有继续提升其性能的潜力,还有许多工作有待深入研究。

相关工作发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201703116)上,并于当期Front Cover作简要介绍。