IUPAC 2022化学领域十大新兴技术 | 2022年度化学领域十大新兴技术之钠离子电池

一、研究背景

高效的电化学储能技术，如锂离子电池（LIB），将大大促进全球共同目标碳中和的实现。在不久的将来，进一步推迟可预见的能源危机。然而，对锂离子电池的商业增长需求引发了有限原材料带来的成本激增。在这方面，具有充足供应和类似锂离子电池“摇椅”工作机制的高性价比钠离子电池（SIB）显示出成为LIB的有利替代品之一的良好前景，同时也满足可持续大规模储能系统的实际需求。这就是为什么SIB在过去十年中得到了广泛研究和蓬勃发展。然而，阴极材料的结构稳定性差、离子扩散动力学缓慢、工作电压低和能量/功率密度不令人满意等缺点对SIB的实际应用仍然具有挑战性。

因此，为了满足实际应用需求，非常需要优异的长期性能。此前，研究工作主要集中在增强阴极、阳极材料、及电极-电解质界面稳定从而使得钠离子电池表现出更好的循环稳定性和速率性能。

二、文献分析

1、缓解稳定钠离子电池固体电解质界面的电子泄漏

通讯作者：郭玉国

通讯单位：中国科学院化学研究所

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202216354

界面稳定性对钠离子电池（SIB）的寿命和安全性至关重要。然而，持续的固体电解质界面（SEI）生长会降低其稳定性。从本质上讲，SEI生长与电子泄漏行为有关，但从减轻电子泄漏的角度来看，很少有人试图抑制SEI生长。在本文中，郭玉国教授团队通过分别通过碳酸氟乙烯酯（FEC）和亚磷酸三（三甲基硅烷基）酯（TMSPi）添加剂构建了两种具有不同生长行为的SEI层，以揭示电子泄漏如何影响SEI生长。详细研究了SEI的理化特征（形貌和组分信息）和SEI电子性质（LUMO水平、带隙、电子功函数）。实验和计算分析表明，抑制生长的SEI层具有低电子驱动力和高电子绝缘能力。从而减轻了电子泄漏，抑制了SEI的持续增长，有利于界面稳定性和增强的电化学性能。

2、多金属氧酸盐超晶格及其衍生物作为大功率钠离子电池负极的空间引导组装

通讯作者：魏巍

通讯单位：西安交通大学化学学院应用化学系

论文链接： 

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09796

使用具有多种结构和表面特性的多金属氧酸盐团簇（POM）作为构建块，引发了具有许多潜在应用的团簇组装材料的开发。与传统分子和组装工艺相比，控制大型POM的空间位阻相互作用和连接以实现具有多层次组织的超晶格仍然是一个巨大的挑战。魏巍教授团队提出了一种调节空间协调行为和构型的通用方法，实现了一类由POM单元线性对齐和二维排列形成的簇超晶格架构。形成机制被解释为一种逐步共组装途径，其中POM可以干预并指示与层状介质的典型剥离-重新堆叠组合模式。这些具有长程POM排序的团簇超晶格通过硫化赋予其衍生物独特的优点，为此证明了这些用作钠离子电池阳极的POM衍生物的功率和循环寿命的显着提高。

3、一种用于钠离子电池的先进高熵氟磷酸盐阴极，具有更高的工作电压和能量密度

通讯作者：吴兴隆

通讯单位：东北师范大学化学系

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202110108

作为钠离子电池正极材料，氟磷酸钒钠（Na3V2(PO4)2F3 ,NVPF）在钠离子进行脱嵌过程中表现出高离子传导率、结构和热力学稳定的优点，受到了广泛的研究和关注。然而，NVPF仍面临着电子电导率较低、平均工作电压和能量密度不够高等挑战性问题。在提升NVPF正极的倍率和循环性能的基础上同时提升其能量密度，对促进该类材料的实用化具有重要的价值。因此，吴兴隆教授团队提出了一种高熵替代策略，在不改变中心活性V原子的情况下改变NVPF的详细晶体结构，同时实现了Na+的电子电导率增强和扩散势垒降低。所制备的无碳高熵Na3V1.9 (Ca, Mg, Al, Cr, Mn) 0.1 (PO4)2 F3 (HE-NVPF)阴极可以提供3.81V的更高平均电压和更有利的能量密度，最高可达445.5 Wh kg−1，这归因于高熵晶体中不同的过渡金属元素取代。更重要的是，高熵引入可以帮助实现Na+在Na(2)活性位点的无序重排，从而避免在低电压区域的不利放电行为，进一步提高平均工作电压，以实现在高电压平台上的完全钠离子存储。与硬碳(HC)阳极耦合，HE-NVPF//HC SIB全电池在5℃时具有326.8 Wh kg-1的高比能量密度，功率密度为2178.9 W kg−1。

4、静电屏蔽提高钠离子电池合金型负极材料的电化学性能

通讯作者：杨剑、Nana Wang

通讯单位：山东大学化学与化工学院、伍伦贡大学

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202214258

合金型负极材料在钠离子电池中的应用一直受到循环时体积变化巨大的阻碍。在此，以Sn微粒（μ-Sn）为模型，引入K+作为电解质添加剂，通过静电屏蔽改善电化学性能。理论计算和实验结果表明，K+没有被结合在电极中，而是在某些位置上积累。这种积聚减缓了“热点”处的局部钠化，促进了均匀的钠化，并增强了电极稳定性。因此，在2A g-1下3000次循环后，电极保持565 mAh g-1的高比容量，比没有K+的情况要好得多。电极在100次循环后仍保持约3.5 mAh cm-2的面容量。该方法不涉及耗时的制备、复杂的仪器和昂贵的试剂，显示出对其他阳极材料的潜在潜力。

5、无序魔方启发的超长循环寿命钠离子电池框架

通讯作者：侴术雷

通讯单位：温州大学化学与材料工程学院

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202215865

具有快速充电能力和长寿命的钠离子电池 (SIB) 可应用于从个人设备到电网存储的各种可持续能源存储系统。多金属六氰基铁酸盐 (HCF) 纳米团簇提供可定制和独特的化学和晶体结构，在几乎无限的组成空间中具有巨大的潜力，从而在各种应用（例如 SIB 的阴极材料）中产生意想不到的特性和有趣的新颖性。受无序魔方的启发，侴术雷教授团队报告了高熵（HE）概念可以导致HCF储存性能的显著的改善。已经合成了HE-HCF的一个示例，作为概念的证明，它实现了令人印象深刻的循环稳定性（10,000 次循环后容量保持率约为 95%，50,000 次循环后容量保持率为 79.2%）和高达 75 C 的出色快速充电能力。观察到显著的空气稳定性和所有气候性能。通过多种原位技术和密度泛函理论计算，对其准零应变反应机理及高钠扩散系数进行了测量和分析。该策略为先进电极的开发提供了新的见解，并提供了通过调整原子组成来调整电化学性能的机会。

翻译整理作者：Shaner

翻译整理作者邮箱：Syf1397896578@163.com

编辑：朱真逸