北科大ESM综述：先进表征技术用于钠离子电池层状氧化物正极材料研究

钠离子电池由于资源丰富，成本低廉，在大规模储能、低速电动车、廉价电子商品等市场展现出良好的应用前景。尽管与锂离子电池的工作原理类似，Na⁺较大的半径和质量导致电极材料反应动力学缓慢，体积变化较大，限制了其商业化发展。因此，开发能够快速、稳定储钠的高比能电极材料尤为重要。层状过渡金属氧化物具有二维离子传输通道，制备工艺简单，理论比容量高，是钠离子电池最重要的正极材料之一，但其在充放电过程中容易发生不可逆相变和结构坍塌，电极/电解液界面不稳定以及空气敏感性等问题是这类材料发展的主要技术瓶颈。此外，阴离子氧化还原反应为增加能量密度创造了一个新的途径，得到研究人员的广泛关注。但如何有效激发阴离子氧化还原活性，提高氧反应可逆性，减少不可逆的氧损失仍在积极探索之中。因此，借助先进的表征技术深入剖析层状氧化物正极材料结构、形貌、成分、反应机理等各部分之间的对应关系对发展高能量密度钠离子电池至关重要。

在过去数年中，许多表征技术飞速发展，成为了层状氧化物正极材料性能判定和优化不可或缺的工具。尤其是很多原位技术涌现出来，为研究其充放电过程中复杂的反应机制提供了巨大帮助。理论计算技术的不断进步也为层状氧化物正极材料的合理设计奠定了可靠基础。近日，北京科技大学刘永畅教授和陈骏教授（通讯作者）等研究人员在权威期刊Energy Storage Materials上发表了题为“Current State-of-the-Art Characterization Techniques for Probing the Layered Oxide Cathode Materials of Sodium-Ion Batteries”的综述文章，系统地介绍了近些年来钠离子电池层状氧化物正极材料研究中用到的多种先进表征技术和电化学测试方法，并对层状氧化物正极材料的未来研究方向进行了展望。该工作同时得到北京科技大学曲选辉教授和南开大学焦丽芳教授的指导与支持，北京科技大学研究生沈秋雨为论文的第一作者。

在文章中，作者首先对层状金属氧化物这类钠离子电池正极材料进行了详细介绍，随后阐述了各种表征手段的检测原理和具体用途，并重点讨论了这些表征手段在层状氧化物正极材料研究中的代表性应用实例。根据各种表征技术的特点将他们主要分为四种类型。

第一类是晶体结构相关表征技术，例如同步辐射X射线衍射，中子衍射等技术为层状氧化物正极材料的结构判定提供了极大帮助；

第二类是微观结构和形貌相关表征技术，例如对分布函数，固态核磁共振，红外、拉曼光谱，扫描、透射电子显微镜等技术能够有效揭示层状氧化物正极材料在充放电过程中的结构演变和形貌变化；

第三类是成分和价态相关表征技术，例如电子顺磁共振，TOF次级离子质谱，X射线光电子能谱，同步辐射X射线吸收谱，电子能量损失谱，共振非弹性X射线散射，穆斯堡尔谱等技术为研究层状氧化物正极材料的反应机理提供了有效途径；

第四类是理论计算相关技术，基于密度泛函理论的第一性原理计算为阴离子氧化还原反应设计和电极材料性能优化提供了有力的理论依据。其中，原位表征技术的发展深入地揭示了层状氧化物材料在充放电过程中的结构，形貌，价态变化，提供了可靠实时信息。

此外，多种表征手段的有效组合也更加全面地增加了对层状氧化物正极材料储钠机制的理解和认识。最后，针对层状氧化物正极材料目前所面临的问题和挑战，作者展望了未来的研究方向和热点，希望借助先进的表征技术，为后续高比能钠离子电池正极材料的设计提供指导。

Q. Shen et al., Current State-of-the-Art Characterization Techniques for Probing the Layered Oxide Cathode Materials of Sodium-Ion Batteries. Energy Storage Mater. (2020) DOI: 10.1016/j.ensm.2020.11.002.