韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授 | Advanced Energy Materials长文综述：实用钠离子电池正极材料——层状氧化物的最新研究进展

【工作介绍】

由于潜在的成本和安全优势，钠离子电池系统吸引了学术界和工业界的广泛兴趣。然而，这两个领域之间存在差距，需要通过进一步的研究努力来弥补。作为潜在的商业化钠离子电池正极材料，普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物和过渡金属层状氧化物由于具有独特的物理、化学性质而备受关注。因此，本综述首先从电化学性能、成本、安全性和环境影响等方面讨论了上述候选正极材料的商业化前景。通过综合评估，具有良好的电化学性能、低成本、可扩展性、环境友好和高安全性的层状氧化物表现出最佳的综合性能，因此被认为是最合适的商业化正极材料。然而，层状氧化物仍有一些科学问题和重大缺陷需要得到解决。因此，本综述总结了用于钠离子电池的O3型层状氧化物正极材料的主要挑战，并概述了最新的优化策略（包括：成分、结构和界面），以弥合学术界和工业界之间的差距。此外，本综述还简要地概述了钠离子电池负极材料和电解液的研究进展和未来发展目标以期进一步推动钠离子电池的商业化发展。

【主要内容】

近几十年来，钠离子电池越来越受到关注，因为它们具有成本和安全优势。并避免了与有限的锂/钴/镍资源和环境污染有关的挑战。由于钠离子电池的储钠性能和生产成本几乎由正极性能决定，因此开发具有大规模生产能力的先进正极材料是实现钠离子电池商业应用的关键。因此，开发具有高能量密度、长循环寿命、低生产成本和高化学/环境稳定性的正极材料对于实施先进的钠离子电池至关重要。在已开发的钠离子电池正极材料中，O3型过渡金属氧化物因其合成方法简单、理论比容量高、钠含量充足而受到广泛关注。然而，相对较大的钠离子半径导致在脱/嵌过程中缓慢的离子扩散动力学和不可避免的复杂相变，导致较差的倍率性能和循环稳定性。因此，本文全面总结了O3型正极的研究进展和改性策略，包括组分设计、表面工程和合成方法的优化。这项工作旨在指导层状氧化物的开发，并为下一代储能系统提供技术支持。

【图文详情】

图1.a） 关于SIBs和SIBs正极材料的出版物数量。b） 2013年至2023年间关于各种正极材料的出版物比例。c） 层状氧化物（O3型）、聚阴离子化合物（NASICON）和PBAs（立方相结构）的典型晶体结构。d） 层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物的关键性能对比图。

图2.a） 三种代表性正极的平均工作电压、比容量和能量密度。b） 三种正极的循环寿命。

图3.O3型层状氧化物正极材料的主要挑战和优化策略示意图。

图4.a） P2和O3相结构中的离子扩散能垒。[88] b）初始充电过程中Na[Ni_0.5Mn_0.5]O₂的原位XRD图谱。c） Na[Ni_0.5Mn_0.5]O₂在不同充电状态下的截面扫描电子显微镜图像。[107] d）Na_0.8Mg_0.2Fe_0.4Mn_0.4O₂因暴露于空气而导致的结构退化和裂纹形成示意图。[108] e） 化学诱导表面重建的示意图。[109]

【总结和展望】

具有成本和安全优势的钠离子电池在下一代大规模储能系统和中程电动汽车中取代锂离子电池显示出巨大的潜力。在全电池应用中，具有足够钠离子的O3型层状氧化物由于其高工作电压、高可逆容量、长使用寿命、低生产成本和实用性而被认为是最有前途的正极候选者。然而，它们缓慢的钠离子动力学、复杂的相演化过程、在循环过程中形成微裂纹和表面重建的倾向，以及空气敏感性是限制其大规模应用的主要因素。最近的研究表明，通过合理的成分/结构设计定制层状氧化物可以有效地克服一些固有的缺点，这对促进钠离子电池的商业化具有重要意义。因此，本文综述了O3型正极材料在钠离子电池中的发展现状，并为其大规模应用提供了建设性的前景。通过结合多种优化策略，O3型正极在钠离子电池系统中有望实现高容量（>180 mA h g⁻¹）、高工作电压（>3.6 V）和良好热稳定性（放热峰值>270 °C），这被认为是商业锂离子电池技术的重要补充。在未来几年，我们希望钠离子电池的电化学性能将得到进一步提高，为学术界和工业界创造机会。

【文章链接】

Xinghui Liang, Jang-Yeon Hwang, and Yang-Kook Sun, Practical Cathodes for Sodium-Ion Batteries: Who Will Take The Crown? Advanced Energy Materials, 2023, 2301975, https://doi.org/10.1002/aenm.202301975.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202301975#

【通讯作者简介】

Yang-Kook Sun院士: 1992年于首尔国立大学获得化学工程博士学位。他曾在三星先进技术研究所担任研究组长，为锂聚合物电池的商业化做出了贡献。他的主要研究方向为先进储能和转换材料的设计、合成、结构分析及其二次电池应用，主要成就之一是提出了用于锂离子电池的层状浓度梯度正极材料。Yang-Kook Sun教授在世界各地有多个国际合作项目，发表了600多篇文章，并拥有341项注册和应用专利。以通讯作者身份在Nature materials, Energy & Environmental Science, ACS Energy Letters, Journal of the American Chemical Society, Advanced Energy Materials 等学术刊物上发表多篇研究论文，被引用八万余次，H因子152。