钠离子电池正极材料研究进展

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.02.001

摘要/Abstract

摘要：

面对化石燃料日益枯竭、锂资源短缺等问题，钠离子电池以资源丰富、理论成本低、快充性能好、低温性能优异等优势被认为是发展新能源、大规模储能和低速电动交通工具中具有较大潜力的二次电池。钠离子电池正极材料是影响电池能量密度、循环性能、倍率性能等参数的重要因素之一，钠离子电池正极材料包括过渡金属氧化物、聚阴离子类化合物、普鲁士蓝类化合物和有机类化合物。总结并介绍了钠离子正极材料，概括了钠离子电池的优劣势，分析了各类正极材料的自身特性和研究方向，对钠离子电池正极材料的发展方向进行了展望。

关键词: 钠离子电池, 正极材料, 过渡金属氧化物, 聚阴离子化合物, 普鲁士蓝类化合物

Abstract:

Against the background of fossil fuel exhaustion and lithium resources shortage,sodium?ion batteries are considered promising secondary batteries due to their abundant resources,low theoretical cost, good quick?charge performance and excellent low?temperature performance.They are expected to play a key role in developing new energy,large?scale energy storage and low?speed electric vehicles.The selected cathode material is one of the important factors influencing the energy density,cycling performance and rate performance of a sodium?ion battery.This paper reviews the cathode materials of sodium?ion batteries,including transition metal oxides, polyanionic compounds,Prussian blue compounds and organic compounds.The paper introduced the advantages and disadvantages of sodium?ion batteries,analyzed the characteristics and research focuses of various cathode materials,and provided an outlook on the development direction of cathode materials for sodium?ion batteries.

Key words: Sodium?ion battery, Cathode material, Transition metal oxide, Polyanionic compounds, Prussian blue compounds

中图分类号:

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图/表 7

表1 钠离子电池与铅酸、锂离子电池性能比较

Table 1 Performance comparison of sodium ion battery, lead acid battery and lithium ion battery

电池类型

质量能量密度^①/（W

⋅

⋅

kg^-1）

体积能量密度^①/(W

⋅

⋅

L^-1）

单位能量原料成本^②,③/

(元·W^-1·h^-1)

锂离子电池

(磷酸铁锂/石墨体系)

钠离子电池

(铜基氧化物/煤基碳体系)

表1 钠离子电池与铅酸、锂离子电池性能比较

Table 1 Performance comparison of sodium ion battery, lead acid battery and lithium ion battery

电池类型

质量能量密度^①/（W

⋅

⋅

kg^-1）

体积能量密度^①/(W

⋅

⋅

L^-1）

单位能量原料成本^②,③/

(元·W^-1·h^-1)

循环寿命/次

工作电压/V

容量保持率/%

耐过放电性

安全性

环保特性

铅酸电池

30~50

60~100

0.40

300~500

2.0

<60

差

优

差

锂离子电池

(磷酸铁锂/石墨体系)

120~180

200~350

0.43

>3 000

3.2

<70

差

优

钠离子电池

(铜基氧化物/煤基碳体系)

100~150

180~280

0.29

>2 000

3.2

>88

可放电至0 V

优

图1 钠离子电池工作原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of working principle of sodium ion battery

图2 Na0.44MnO2脱嵌Na+示意图

Fig.2 Na0.44MnO2 unembedded Na+ schematic diagram

图3 P2?Na2/3Ni1/3Mn2/3O2正极材料X射线金边吸收结构谱（a） Mn K边（b） Ni K边

Fig.3 X?ray Phnom penh absorption spectra of P2?Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 cathode materials

图4 Na3V2(PO4)3晶体结构中M1位点以及M2位点示意图红色小球代表氧，蓝色小球代表钠

Fig.4 Schematic diagram of M1 site and M2 site in the crystal structure of Na3V2(PO4)3（a） M1 （b） M2

图5 普鲁士蓝类化合物Na2M[Fe(CN)6]的晶体结构示意图（a）理想的无缺陷结构（b）含有Fe(CN)6的缺陷结构

Fig.5 Schematic diagram of crystal structure of Prussian blue compound Na2M[Fe(CN)6]

图6 钠离子的损失和Na4[Fe(CN)6]形成机理示意图

Fig.6 The loss of Na+ and the formation mechanism of Na4[Fe(CN)6]

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