孙学良院士新综述：钠-空气电池体系的挑战与展望

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研究背景：

        随着不可再生化石燃料的过度消耗和环境问题的日益突出，发展绿色可持续能源已迫在眉睫。基于电化学氧化/还原反应的二次电池被认为是解决能源问题最可靠的方案之一。因此在过去几十年里，铅酸电池、镍金属混合电池和锂离子电池等储能系统得到了广泛研究，锂离子电池的成功商业化也推动了便携式电子设备的快速发展。但由于现有商用电池的能量密度不能满足下一代电动汽车的能量要求，高能量密度储存系统的开发和应用刻不容缓。

        作为新型储能体系，钠-空气（Na-O2）电池凭借其高能量密度，环境友好，钠资源丰富等优点获得了重大关注，并在下一代电动汽车发展中表现出巨大的应用潜力。目前，钠-空气电池的发展已经取得令人瞩目的突破。由于电极的效率对钠空气电池的整体性能起着至关重要的作用，电极的设计也越来越受到重视。碳材料凭借其良好的导电性，优异的化学稳定性，低成本，以及多孔纳米结构被成功应用于钠空气电池体系中，并在构建高效钠-空气电极和提升钠-空气电池性能方面起到了重要作用。

成果简介：

加拿大西安大略大学孙学良院士课题组(https://www.eng.uwo.ca/nanoenergy/home/index.html) 长期致力于室温钠-空气电池的研究，课题组研究方向涵盖从材料合成、机理研究到负极保护。近日，孙学良教授基于长期对钠-空气电池体系的研究，系统综述了碳材料在解决钠-空气电池体系挑战以及提升电池性能方面的应用和最新进展，并展望了碳材料在钠-空气电池系统中的未来发展方向。该文章以“The application of carbon materials in non-aqueous Na-O2 batteries”为题目发表在《Carbon Energy》（DOI:10.1002/cey2.15）上，该论文的第一作者是林晓婷博士生。

内容概述：

 文章介绍了非水系钠-空气电池的工作原理，并讨论了钠-空气电池中空气电极和钠金属电极所面临的各种问题。从解决电极的各种挑战出发，系统的总结了如何通过合理设计碳材料的结构和化学特性来提升钠-空气电池的电化学性能。

在正极应用方面，合理设计碳材料的孔结构可以为钠-空气电池的氧还原/转化反应提供足够的活性位点，电极中的孔隙还可为放电产物的储存提供空间并缓解放电过程中的孔阻塞问题；通过元素掺杂和催化剂负载可以提升碳正极的催化活性来降低放电产物的分解电压，减少高电压下各种副反应的发生；通过对碳材料进行表面包覆可以缓解超氧根离子对碳正极的钝化问题。

在负极应用方面，高孔隙率碳材料可以为钠金属构建三维基体或夹层，通过降低局部电流密度来促进钠金属的均匀沉积，阻止钠枝晶的生长；同时，碳材料的多孔结构还可以缓解多次充放电过程中钠金属的无限体积膨胀问题；高机械强度和化学稳定性的碳膜作为稳定固态电解质界面的保护层不仅可以抑制枝晶的生长，还可以缓解氧气、水、超氧根离子等对钠金属负极的化学腐蚀；最后，钠化的碳材料还可用于钠空气电池的负极材料。碳材料在提升钠-空气电池的电化学性能中起着至关重要的作用。

文章链接：

The application of carbon materials in nonaqueous Na‐O2 batteries

Xiaoting Lin,Qian Sun,Kieran Doyle Davis,Ruying Li,Xueliang Sun*

DOI:10.1002/cey2.15

https://doi.org/10.1002/cey2.15

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