中國粉體網(wǎng)訊 在鋰資源短缺的當今，儲量豐富的鈉元素逐漸在大規(guī)模儲能領(lǐng)域中受到更多的關(guān)注。在成本低、安全性高、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢的加持下，鈉離子電池已逐步成為新型儲能的重要補充技術(shù)。
電池內(nèi)部的材料選擇對鈉離子電池的整體性能來說極為關(guān)鍵。其中，正極材料的結(jié)構(gòu)、性能以及成本決定了鈉離子電池的商業(yè)化競爭力。
理想的正極材料在結(jié)構(gòu)和性能上，其往往具備：（1）較高的氧化還原電勢；（2）優(yōu)異的離子和電子電導(dǎo)率；（3）較高的理論容量；（4）開闊的離子擴散通道；（5）良好的空氣穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；（6）制備工藝簡單，原料成本低廉且環(huán)境友好。
目前，鈉離子電池正極材料主要分為過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍類似物等。
過渡金屬氧化物：
目前，在鈉離子電池正極材料中，過渡金屬氧化物因理論容量高、制備過程簡單、成本較低、對環(huán)境友好等特點被廣泛關(guān)注。過渡金屬氧化物的化學式可以表示為NaxMO2（0＜x≤1，M為過渡元素Co、Mn、Fe、Cr、Ni等其中的一種或多種)，根據(jù)鈉含量不同和晶體結(jié)構(gòu)，分為層狀過渡金屬氧化物和隧道狀過渡金屬氧化物。
聚陰離子化合物：
因獨特的框架式結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性好等因素，聚陰離子化合物得到了眾多研究者的青睞。其化學式可以表達為NaxMy[(XOm)n–]z，其中M為Fe、Mn、V等過渡金屬，X為P、S、Si等非金屬元素。聚陰離子化合物可分為橄欖石結(jié)構(gòu)和鈉離子超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的磷酸鹽[NaFePO4、Na3V2(PO4)3]、焦磷酸鹽[Na2MP2O7、Na4M3(PO4)2P2O7]、氟化磷酸鹽[NaVPO4F、Na2MPO4F、Na3(VOx)2(PO4)2F3-2x]、硫酸鹽[Na2Fe2(SO4)3]等。它們的晶體結(jié)構(gòu)多數(shù)是由過渡金屬八面體和聚陰離子四面體通過共價鍵連接而成的三維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有效地緩解了Na+脫嵌過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)重排現(xiàn)象，從而使鈉離子電池表現(xiàn)出較好的循環(huán)穩(wěn)定性。
普魯士藍類似物：
普魯士藍因獨特的開放框架和三維大孔道結(jié)構(gòu)、較好的電化學性能成為鈉離子電池正極材料中的研究熱點。其化學式可以表示為NaxM[Fe(CN)6]y∙£y·zH2O，其中0＜x＜2，0＜y＜1，£代表配位水占位；M為過渡金屬元素，如Fe、Mn、Co、Ni、Cu等。晶體結(jié)構(gòu)為過渡金屬離子分別與CN-中的C和N形成配位，與N配位的過渡金屬為高自旋態(tài)，與C配位的過渡金屬為低自旋態(tài)。普魯士藍有三種多態(tài)性，即單斜相、立方相和菱形相。Na+占據(jù)三維通道結(jié)構(gòu)和配位孔隙中，其三維空間結(jié)構(gòu)中存在大量的配位離子立方空隙，為Na+可逆地脫嵌提供了遷移通道。
目前過渡金屬氧化物體系和普魯士藍衍生物作為正極材料的技術(shù)成熟度較高，二者的能量密度均在150Wh/kg以上。聚陰離子化合物種類豐富,形式多樣。與層狀氧化物相比，聚陰離子化合物中的陰離子電負性較大,所以該類材料作為鈉離子電池正極材料時普遍擁有較高的工作電壓。目前聚陰離子型材料如能通過簡單有效的工藝方法解決導(dǎo)電性較差的問題,使其發(fā)揮穩(wěn)定性和倍率性能方面的優(yōu)異特性,有望比過渡金屬氧化物材料獲得更迅速的應(yīng)用推廣前景。
2024年10月29-31日在上海跨國采購會展中心，由北京粉體技術(shù)協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024第二屆鈉離子電池材料技術(shù)研討會。屆時，來自武漢大學的方永進教授將作題為《鈉離子電池正極材料的設(shè)計與性質(zhì)研究》的報告。
專家簡介：
方永進，武漢大學化學與分子科學學院教授，博士生導(dǎo)師，入選國家級青年人才項目和湖北省楚天學者人才計劃。獲2022和2023年科睿唯安“全球高被引科學家”、2022和2023年Stanford-Elsevier全球前2%頂尖科學家等榮譽。主要研究方向為鋰/鈉離子電池電極材料和電解液等。擔任InfoMat、InfoScience、J. Energy Chem.、eScience、Carbon Energy、Chin. Chem. Lett.、Rare Metals、Batteries等雜志青年編委。近年來以第一作者/通訊作者在Angew. Chem. Int. Ed.（10篇）、Adv. Mater.（5篇）、Adv. Energy. Mater.（3篇）、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Chem、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.等國際頂尖學術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文40余篇，含ESI高被引論文22篇，論文被引用9000余次，h指數(shù)為43。
參考來源：
1.袁永祥《鈉離子電池正極材料合成方法的研究進展》
2.馬永郅《鈉離子電池正極材料普魯士白的包覆改性研究》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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