ACS Energy Letters: 2019年诺贝尔奖花落锂离子电池并提出了钠离子电池的新机遇与挑战

文章背景

可充电电池能够在各种应用中按需提供电能，使我们的生活更加方便，并且已经成为现代社会不可或缺的一部分。自1991年商业化以来，锂离子电池在便携式消费电子产品领域取得了巨大成功，并逐渐扩展到电动汽车和固定电网存储系统。随着构建社会可持续“能源互联”的愿望日益增长，没有一种单一类型的电池能够同时满足所有先决条件。因此，迫切需要开发其他电池来满足我们多样化的能源需求。

随着对锂源的可持续性和不均匀分布的日益关注，而钠资源广泛分布在地壳中，在海洋中几乎无限分布且具有更高的安全性，使钠离子电池成为一种很有前景的技术，特别是在电网储能方面。

内容简介

本文分析了钠离子电池在能量存储方面的优势，因与锂有相同的工作原理和材料特性，许多电极材料，包括层状氧化物的阴极、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物和碳质材料、钛基化合物、合金和有机材料的阳极以及电解质、粘结剂和导电添加剂，近年来得到了广泛的探索。尽管钠离子电池具有明显的优势，非常适合商业化，但客观上，Na的固有特性也导致了钠离子电池在某些方面不如锂离子电池，基于最先进的NIB研究活动，本文提供了几个潜在的方向，以解决当前的科学和技术问题以及钠离子电池的下一阶段发展。中科院物理所博士胡勇胜以“2019 Nobel Prize for the Li-Ion Batteries and New Opportunities and Challenges in Na-Ion Batteries”为题发表在国际期刊ACS Energy Letters上。

文章亮点

1、从钠元素储量分布广泛，工作原理和材料特性与锂电相似，电极材料来源广，溶剂化能低，生产成本低，在过放电期间无潜在的安全问题等方面阐述了钠离子电池商业化的可能性；

2、基于最先进的钠离子电池的研究活动，本文提供了几个潜在的方向，以解决当前的科学和技术问题以及钠离子电池的下一阶段发展。

NIBs的研究进展

与锂离子电池(LIBs)几乎同时开始的对锂离子电池(NIBs)的研究，自2010年以来经历了一次发展复兴(图1)。这是因为在1991年之后，大多数研究人员将注意力转移到锂离子电池后，对锂离子电池的研究已经停止了一段时间。然而，随着对锂源的可持续性和不均匀分布的日益关注，研究人员开始重新审视这种基本上被放弃的NIBs技术，并探索其作为LIBs补充技术的可能性。

图1. 通过科学出版物衡量NIBs的研究进展。

NIBs的储能优势

NIBs在储能方面具有若干优势。首先，钠资源在地壳中广泛分布(钠:23000 ppm vs 锂:17 ppm)，在海洋中几乎无限分布；这不仅降低了成本，增强了经济竞争力，还降低了它们对资源和供应风险的敏感度。第二，NIBs的工作原理和材料特性与LIBs相同。这反过来意味着，如果找到了适用于钠离子电池的材料，LIBs的设备和设施可以直接用于扩大材料和电池的生产。第三，用于NIBs的电极材料可能有多种来源，因为从Ti到Cu的3d过渡金属在基于Na的层状氧化物中都是电化学活性的，而只有Mn、Co和Ni组成的对应物被认为是活性电极。第四，Na的大离子半径在极性溶剂中提供了弱的溶剂化能(在有机溶剂中比Li低大约30%)，对于离子电导率与其Li⁺基电解质相似的Na⁺基电解质，导致较低的界面转移阻力和较低的盐浓度。第五，由于Al不与Na形成合金，LIBs中使用的Cu阳极集电器可以由更轻和更便宜的Al箔代替，同时利用了与LIBs类似的制造工艺；总之，这些降低了生产成本。最后，NIBs在过放电期间没有潜在的安全问题，因为铝集电器不会发生氧化，不像它的铜类似物。所有这些上述优点使NIBs成为一种有前途的技术，特别是对于电网储能。

NIBs待解决的问题

尽管NIBs具有明显的优势，非常适合商业化，但客观上，Na的固有特性也导致了NIBs在某些方面不如LIBs，这些问题需要通过努力来进一步解决。例如，Na较重的原子质量和较大的离子尺寸意味着当采用类似的材料系统时，就重量和体积能量密度而言，NIBs无法与LIBs竞争。因此，为了弥补较低的比能量密度，并使NIBs在每千瓦时的成本方面与LIBs竞争，必须实现材料创新。在充放电过程中，不同的电荷载体(Na⁺对Li⁺)与主体结构产生非常不同的相互作用；因此，相行为(晶体结构、配位、体积变化)、扩散动力学和电极/电解质界面(溶剂化-去溶剂化、电荷转移、组成、致密性和厚度)将非常不同。即使在相同的电极材料中使用，Na存储机制也可能不同于锂的存储机制。这方面的进一步阐明可以指导先进材料的设计。因此，从LIBs到NIBs的转变比碱金属的简单替换更复杂。探索不同于Li系统的化学过程可以降低成本。提高从材料到界面到电池水平的性能将是为NIBs商业化提供基本解决方案的关键。

文章采取的措施及展望

1.开发具有高化学和电化学稳定性Na储存容量超过200 mAh/g(截止放电电压> 2.5 V)的无钴层状氧化物阴极。这将使Na离子电池在与碳阳极结合时达到约400 mAh/g的高能量密度。

2.以低成本的简单方式从普鲁士蓝(白色)阴极材料中去除晶格水。这对于实现非水钠离子电池的良好性能至关重要。

3.开发不含贵重和有毒过渡金属的类似磷酸铁锂的聚阴离子阴极材料，以使钠离子电池具有长的循环寿命。例如，替换Na₃V₂(PO₄)₃和Na₃(VO_x)₂(PO₄)₂F_3-2x中的V元素。

4.理解碳质阳极的钠储存机制和容量限制。

5.探索类似于Li₄Ti₅O₁₂的低应变阳极材料，其Na存储电压为1-1.5V，无需形成固体电极界面(SEI)，以制造具有高功率性能和长循环寿命的Na离子电池。

6.开发低成本、环境友好、不含氟的钠盐、功能性电解质添加剂和不可燃电解质。

7.开发简单有效的钠补偿(预钠化)技术，为钠离子电池获得更高的能量密度和更长的循环寿命。

8.提高固态电解质的离子电导率(室温下大于10^-2S/cm)，同时解决电极/电解质界面问题，以开发高安全性固态钠离子电池。

9.通过材料创新和技术进步，实现3000次以上循环的实用、低成本的钠离子电池。

参考文献

Yong-Sheng Hu, Yaxiang Lu, 2019 Nobel Prize for the Li-Ion Batteries and New Opportunities and Challenges in Na-Ion Batteries, ACS Energy Letters. 

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b02190

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