钠离子电池正极材料研究进展

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.06.004

摘要/Abstract

摘要：

随着可再生能源的发展，新兴的储能系统受到了广泛关注。钠离子电池由于其资源丰富、安全、成本低、环境友好和使用方便等特点，在大规模储能领域备受瞩目。钠离子电池正极材料显著影响电池的能量密度、循环性能和倍率特性等关键性能。目前，已经有3种应用于钠离子电池的正极材料进入了产业化视野，即层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝化合物。综述了钠离子电池正极材料的分类、性能及研究进展，并对其潜在的研究方向进行了展望。

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

Abstract:

With the development of renewable energy sources,emerging energy storage systems have received a lot of attention. Sodium-on batteries have attracted extensive attention in the field of large-scale energy storage due to their abundant sources, safety,low cost,environmental friendliness and ease of use.The cathode materials of sodium-ion batteries affect the key properties of the battery such as energy density,cycling performance and multiplication characteristics.Currently,three cathode materials for sodium ion batteries have entered the industrialization horizon,namely layered transition metal oxides,polyanionic compounds and Prussian blue compounds.This paper summarizes the classification,properties,and research progress of main cathode materials for sodium-ion batteries,and anticipates the prospect of the potential research.

Key words: Sodium-ion batteries, Cathode materials, Layered transition metal oxides, Polyanionic compounds, Prussian blue compounds

中图分类号:

TQ15

赵昊, 刘香楠, 王静怡, 吕佳璇, 王翔, 郎笑石, 蔡克迪. 钠离子电池正极材料研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 35-43.

Hao ZHAO, Xiangnan LIU, Jingyi WANG, Jiaxuan LÜ, Xiang WANG, Xiaoshi LANG, Kedi CAI. Advances in Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2024, 37(6): 35-43.

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图/表 4

图1 P2型（P63/mmc）和O3型（R-3m）材料的结构示意图[26]

Fig.1 Structural schematic of P2-type (P63/mmc) and O3-type (R-3m) materials[26]

图2 N3VP掺杂位点的分类以及掺杂位点引起的性能改变示意图[38]

Fig.2 Classification of N3VP doping sites and performance changes induced by doping at these sites[38]

图3 Na2Fe(SO4)2@rGO/C的晶体结构[59]

Fig.3 Crystal structure of Na2Fe(SO4)2@rGO/C[59]

图4 mp-NVPF/C-6F样品的晶体结构[65]

Fig.4 Crystal structure of the mp-NVPF/C-6F sample[65]

参考文献 76

1	NGUYEN T P，KIM I T.Recent advances in sodium-ion batteries：Cathode materials［J］.Materials，2023，16（21）：6869.
2	周凡宇，曾晋珏，王学斌.碳中和目标下电化学储能技术进展及展望［J］.动力工程学报，2024，44（3）：396-405.
	ZHOU F Y，ZENG J J，WANG X B.Progress and prospect of electrochemical energy storage for carbon neutralization［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2024，44（3）：396-405.
3	周嘉琪，杨思然，艾绯雪，等.Co₉S₈@CNFs复合材料的制备及其在锂离子电池的应用［J］.辽宁石油化工大学学报，2022，42（6）：21-27.
	ZHOU J Q，YANG S R，AI F X，et al.Preparation of Co₉S₈@CNFs composites and their application in lithium-ion batteries［J］.Journal of Liaoning Petrochemical University，2022，42（6）：21-27.
4	周娅，时润娜，郎笑石，等.钠离子电池正极材料V₂O₅研究进展［J］.石油化工高等学校学报，2022，35（6）：38-47.
	ZHOU Y，SHI R N，LANG X S，et al.Research progress of V₂O₅ cathode material for sodium-ion batteries［J］.Journal of Petrochemical Universities，2022，35（6）：38-47.
5	李婧婧，李洪基，黄强，等.掺杂对钠离子电池正极材料性能影响机制的研究［J］.化学进展，2022，34（4）：857-869.
	LI J J，LI H J，HUANG Q，et al.Study on the mechanism of the influence of doping on the properties of cathode materials of sodium ion batteries［J］.Progress in Chemistry，2022，34（4）：857-869.
6	刘飞，赵培文，赵经香，等.钠离子电池硬碳负极材料研究进展［J］.储能科学与技术，2022，11（11）：3497-3509.
	LIU F，ZHAO P W，ZHAO J X，et al.Research progress of hard carbon anode materials for sodium ion batteries［J］.Energy Storage Science and Technology，2022，11（11）：3497-3509.
7	GOIKOLEA E，PALOMARES V，WANG S J，et al.Na‐ion batteries-approaching old and new challenges［J］.Advanced Energy Materials，2020，10（44）：2002055.
8	CHU S Y，GUO S H，ZHOU H S.Advanced cobalt-free cathode materials for sodium-ion batteries［J］.Chemical Society Reviews，2021，50（23）：13189-13235.
9	WAN X Y，LI Y L，CHEN S H，et al.Cathode modification of sodium-ion batteries for improved energy density：A review［J/OL］.Advanced Sustainable Systems，2024：2400229 （2024-07-23）［2024-08-16］.https：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202400229.
10	MENDIBOURE A，DELMAS C，HAGENMULLER P.Electrochemical intercalation and deintercalation of NaxMnO₂ bronzes［J］.Journal of Solid State Chemistry，1985，57（3）：323-331.
11	DAI K H，WU J P，ZHUO Z Q，et al.High reversibility of lattice oxygen redox quantified by direct bulk probes of both anionic and cationic redox reactions［J］.Joule，2019，3（2）：518-541.
12	DELMAS C，FOUASSIER C，HAGENMULLER P.Structural classification and properties of the layered oxides［J］.Physica B+C，1980，99（1-4）：81-85.
13	DOEFF M M，PENG M Y，MA Y P，et al.Orthorhombic NaxMnO₂ as a cathode material for secondary sodium and lithium polymer batteries［J］.Journal of the Electrochemical Society，1994，141（11）：L145.
14	VASSILARAS P，MA X H，LI X，et al.Electrochemical properties of monoclinic NaNiO₂［J］.Journal of the Electrochemical Society，2012，160（2）：A207-A211.
15	胡勇胜，陆雅翔，陈立泉.钠离子电池科学与技术［M］.北京：科学出版社，2020.
16	YABUUCHI N，KUBOTA K，DAHBI M，et al.Research development on sodium-ion batteries［J］.Chemical Reviews，2014，114（23）：11636-11682.
17	MA X H，CHEN H L，CEDER G.Electrochemical properties of monoclinic NaMnO₂［J］.Journal of the Electrochemical Society，2011，158（12）：A1307.
18	WANG L G，WANG J J，ZHANG X Y，et al.Unravelling the origin of irreversible capacity loss in NaNiO₂ for high voltage sodium ion batteries［J］.Nano Energy，2017，34：215-223.
19	YUAN X G，GUO Y J，GAN L，et al.A universal strategy toward air-stable and high-rate O3 layered oxide cathodes for Na-ion batteries［J］.Advanced Functional Materials，2022，32（17）：2111466.
20	HWANG T，LEE J H，CHOI S H，et al.Critical role of titanium in O3-type layered cathode materials for sodium-ion batteries［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2019，11（34）：30894-30901.
21	LIU Y L，WANG D，LI H Y，et al.Research progress in O3-type phase Fe/Mn/Cu-based layered cathode materials for sodium ion batteries［J］.Journal of Materials Chemistry A，2022，10（8）：3869-3888.
22	WANG C C，LIU L J，ZHAO S，et al.Tuning local chemistry of P2 layered-oxide cathode for high energy and long cycles of sodium-ion battery［J］.Nature Communications，2021，12（1）：2256.
23	LI T，ZHANG Y Y，ZHANG Y S，et al.A highly stable high-energy layered oxide cathode for rechargeable sodium ion batteries［J］.Journal of Materials Chemistry A，2024，12（31）：20348-20353.
24	LIU J，HUANG W Y，LIU R B，et al.Entropy tuning stabilizing P2-type layered cathodes for sodium-ion batteries［J］.Advanced Functional Materials，2024，34（24）：2315437.
25	TANG Y L，ZHANG Q H，ZUO W H，et al.Sustainable layered cathode with suppressed phase transition for long-life sodium-ion batteries［J］.Nature Sustainability，2024，7：348-359.
26	WANG Q D，ZHOU D，ZHAO C L，et al.Fast-charge high-voltage layered cathodes for sodium-ion batteries［J］.Nature Sustainability，2024，7：338-347.
27	HOUSE R A，MAITRA U，PÉREZ-OSORIO M A，et al.Superstructure control of first-cycle voltage hysteresis in oxygen-redox cathodes［J］.Nature，2020，577（7791）：502-508.
28	YODA Y，KUBOTA K，KUROKI K，et al.Elucidating influence of Mg- and Cu-doping on electrochemical properties of O₃-Nax［Fe，Mn］O₂ for Na-ion batteries［J］.Small，2020，16（50）：e2006483.
29	SHEVCHENKO V A，KOMAYKO A I，SIVENKOVA E V，et al.Effect of Ni/Fe/Mn ratio on electrochemical properties of the O3-NaNi_1- x-yFexMn_yO₂（0.25≤x，y≤0.75）cathode materials for Na-ion batteries［J］.Journal of Power Sources，2024，596：234092.
30	MASQUELIER C，CROGUENNEC L.Polyanionic （phosphates，silicates，sulfates） frameworks as electrode materials for rechargeable Li （or Na） batteries［J］.Chemical Reviews，2013，113（8）：6552-6591.
31	GAN T T，YUAN J S，CHEN F，et al.Continuous flow electrochemical synthesis of olivine-structured NaFePO₄ cathode material for sodium-ion batteries from recycle LiFePO₄［J］.Small，2024，20（32）：e2401489.
32	JIAN Z L，YUAN C C，HAN W Z，et al.Atomic structure and kinetics of NASICON NaxV₂（PO₄）₃ cathode for sodium-ion batteries［J］.Advanced Functional Materials，2014，24（27）：4265-4272.
33	JIAN Z L，HAN W Z，LU X，et al.Superior electrochemical performance and storage mechanism of Na₃V₂（PO₄）₃ cathode for room-temperature sodium-ion batteries［J］.Advanced Energy Materials，2013，3（2）：156-160.
34	PANDIT B，SOUGRATI M T，FRAISSE B，et al.Exploration of a Na₃V₂（PO₄）₃/C -Pb full cell Na-ion prototype［J］.Nano Energy，2022，95：107010.
35	LI W，LI J P，LI R R，et al.Study on sodium storage properties of manganese-doped sodium vanadium phosphate cathode materials［J］.Battery Energy，2023，2（2）：20220042.
36	FANG Y J，XIAO L F，AI X P，et al.Hierarchical carbon framework wrapped Na₃V₂（PO₄）₃ as a superior high-rate and extended lifespan cathode for sodium-ion batteries［J］.Advanced Materials，2015，27（39）：5895-5900.
37	ZHANG B W，MA K X，LV X，et al.Recent advances of NASICON-Na₃V₂（PO₄）₃ as cathode for sodium-ion batteries：Synthesis，modifications，and perspectives［J］.Journal of Alloys and Compounds，2021，867：159060.
38	SHAO Y R，QIAN Y J，ZHANG T S，et al.Doping modification of sodium superionic conductor Na₃V₂（PO₄）₃ cathodes for sodium-ion batteries：A mini-review［J］.Inorganic Chemistry Frontiers，2024，11：4552-4567.
39	LIU X，GONG J，WEI X J，et al.MoO 4 2 - mediated engineering of Na₃V₂（PO₄）₃ as advanced cathode materials for sodium-ion batteries［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2022，606：1897-1905.
40	ZHOU H，CAO Z T，ZHOU Y F，et al.Unlocking rapid and robust sodium storage of fluorophosphate cathode via multivalent anion substitution［J］.Nano Energy，2023，114：108604.
41	ARAGÓN M J，LAVELA P，ORTIZ G F，et al.On the effect of Silicon substitution in Na₃V₂（PO₄）₃ on the electrochemical behavior as cathode for sodium-ion batteries［J］.ChemElectroChem，2017，5（2）：367-374.
42	XU L，GUO Y，YE D B，et al.Boosting the operation stability of sodium-rich vanadium manganese-based NASICON phosphate as a cathode material for Na-ion batteries by Zn pinning effect［J］.Powder Technology，2024，434：119335.
43	LI X R，CHEN C，YANG J，et al.Zn-doping effects of Na-rich Na₃₊ xV_2- xZnx（PO₄）₃/C cathodes for Na-ion batteries：Lattice distortion induced by doping site and enhanced electrochemical performance［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2022，616：246-252.
44	ZHU L，WANG M M，XIANG S，et al.A medium-entropy phosphate cathode with multielectron redox reaction for advanced sodium-ion batteries［J］.Advanced Energy Materials，2023，13：2302046.
45	GU Z Y，GUO J Z，CAO J M，et al.An advanced high-entropy fluorophosphate cathode for sodium-ion batteries with increased working voltage and energy density［J］.Advanced Materials，2022，34（14）：2110108.
46	CONG J，LUO S H，LI P Y，et al.Stable cycling performance of lituium-doping Na_3- xLixV₂（PO₄）₃/C （0 ≤ x ≤ 0.4） cathode materials by Na-site manipulation strategy［J］.Applied Surface Science，2024，643：158646.
47	王兴宇，王垣衡，闫佳昕，等.铁源前驱体对钠离子电池材料Na₂FeP₂O₇/C的影响［J］.电池，2024，54（3）：309-314.
	WANG X Y，WANG Y H，YAN J X，et al.Effect of iron source precursor on sodium-ion battery material Na₂FeP₂O₇/C［J］.Battery Bimonthly，2024，54（3）：309-314.
48	AHSAN Z，CAI Z F，WANG S，et al.Recent development of phosphate based polyanion cathode materials for sodium-ion batteries［J］.Advanced Energy Materials，14（27）：2400373.
49	BARPANDA P，YE T，NISHIMURA S I，et al.Sodium iron pyrophosphate：A novel 3.0 V iron-based cathode for sodium-ion batteries［J］.Electrochemistry Communications，2012，24：116-119.
50	WANG J，ZENG W H，ZHU J W，et al.Fe-rich pyrophosphate with prolonged high-voltage-plateaus and suppressed voltage decay as sodium-ion battery cathode［J］.Nano Energy，2023，116：108822.
51	XIN Y H，WANG Y S，CHEN B R，et al.Off-stoichiometry of sodium iron pyrophosphate as cathode materials for sodium-ion batteries with superior cycling stability［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2024，16（28）：36509-36518.
52	XU C L，ZHOU L，GAO T，et al.Development of high-performance iron-based phosphate cathodes toward practical Na-ion batteries［J］.Journal of the American Chemical Society，2024，146（14）：9819-9827.
53	BARPANDA P，OYAMA G，LING C D，et al.Kröhnkite-type Na₂Fe（SO₄）₂·2H₂O as a novel 3.25 V insertion compound for Na-ion batteries［J］.Chemistry of Materials，2014，26（3）：1297-1299.
54	BARPANDA P，OYAMA G，NISHIMURA S I，et al.A 3.8 V earth-abundant sodium battery electrode［J］.Nature Communications，2014，5（1）：4358.
55	OYAMA G，NISHIMURA S I，SUZUKI Y，et al.Off-stoichiometry in alluaudite-type sodium iron sulfate Na₂₊₂ xFe_2- x（SO₄）₃ as an advanced sodium battery cathode material［J］.ChemElectroChem，2015，2（7）：1019-1023.
56	ZHANG J Y，YAN Y L，WANG X，et al.Bridging multiscale interfaces for developing ionically conductive high-voltage iron sulfate-containing sodium-based battery positive electrodes［J］.Nature Communications，2023，14：3701.
57	YU T T，LIN B，LI Q F，et al.First exploration of freestanding and flexible Na₂₊₂ xFe_2- x（SO₄）₃@porous carbon nanofiber hybrid films with superior sodium intercalation for sodium ion batteries［J］.Physical Chemistry Chemical Physics，2016，18（38）：26933-26941.
58	DWIBEDI D，LING C D，ARAUJO R B，et al.Ionothermal synthesis of high-voltage alluaudite Na₂₊₂ xFe_2- x（SO₄）₃ sodium insertion compound：Structural，electronic，and magnetic insights［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2016，8（11）：6982-6991.
59	YAO G，ZHANG X X，YAN Y L，et al.Facile synthesis of hierarchical Na₂Fe（SO₄）₂@rGO/C as high-voltage cathode for energy density-enhanced sodium-ion batteries［J］.Journal of Energy Chemistry，2020，50：387-394.
60	WANG J W，HOTELING G，SHEPARD R，et al.Reaction mechanism of Na-ion deintercalation in Na₂CoSiO₄［J］.The Journal of Physical Chemistry C，2022，126（40）：16983-16992.
61	JIN T，LI H X，ZHU K J，et al.Polyanion-type cathode materials for sodium-ion batteries［J］.Chemical Society Reviews，2020，49（8）：2342-2377.
62	RANGASAMY V S，THAYUMANASUNDARAM S，LOCQUET J P.Solvothermal synthesis and electrochemical properties of Na₂CoSiO₄ and Na₂CoSiO₄/carbon nanotube cathode materials for sodium-ion batteries［J］.Electrochimica Acta，2018，276：102-110.
63	LAW M，RAMAR V，BALAYA P.Na₂MnSiO₄ as an attractive high capacity cathode material for sodium-ion battery［J］.Journal of Power Sources，2017，359：277-284.
64	STRAUSS F，ROUSSE G，SOUGRATI M T，et al.Synthesis，structure，and electrochemical properties of Na₃MB₅O₁₀（M=Fe，Co）containing M²⁺in tetrahedral coordination［J］.Inorganic Chemistry，2016，55（24）：12775-12782.
65	赵文杰.氟磷酸钒钠正极材料的合成及改性［D］.长沙：中南大学，2023.
66	ZHANG L M，HE X D，WANG S，et al.Hollow-sphere-structured Na₄Fe₃（PO₄）₂（P₂O₇）/C as a cathode material for sodium-ion batteries［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2021，13（22）：25972-25980.
67	QIAN J F，WU C，CAO Y L，et al.Prussian blue cathode materials for sodium-ion batteries and other ion batteries［J］.Advanced Energy Materials，2018，8（17）：1702619.
68	REHMAN R，PENG J，YI H C，et al.Highly crystalline nickel hexacyanoferrate as a long-life cathode material for sodium-ion batteries［J］.RSC Advances，2020，10（45）：27033-27041.
69	SIMONOV A，DE BAERDEMAEKER T，BOSTRÖM H L B，et al.Hidden diversity of vacancy networks in Prussian blue analogues［J］.Nature，2020，578（7794）：256-260.
70	杨志豪，李昌明，吴智谋，等.普鲁士蓝类钠离子正极材料的制备及改性研究进展［J］.材料研究与应用，2024，18（2）：195-206.
	YANG Z H，LI C M，WU Z M，et al.Progress in preparation and modification of Prussian blue analogues for sodium-ion cathode materials［J］.Materials Research and Application，2024，18（2）：195-206.
71	LI Q Y，XU C M，LIANG Y R，et al.Reforming magnet waste to Prussian blue for sustainable sodium-ion batteries［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2022，14（42）：47747-47757.
72	LIU Y J，FAN S W，GAO Y，et al.Isostructural synthesis of iron-based Prussian blue analogs for sodium-ion batteries［J］.Small，2023，19（43）：2302687.
73	闫昶秀.铁基普鲁士蓝材料的制备及储钠性质研究［D］.武汉：武汉大学，2022.
74	XU Z，SUN Y，XIE J，et al.High-performance Ni/Fe-codoped manganese hexacyanoferrate by scale-up synthesis for practical Na-ion batteries［J］.Materials Today Sustainability，2022，18：100113.
75	王壮，张威，蒋妍，等.锰基普鲁士蓝正极材料掺杂Fe²⁺的储钠性能研究［J］.湖北工业大学学报，2022，37（4）：71-74.
	WANG Z，ZHANG W，JIANG Y，et al.Study on sodium storage properties of manganese based prussian blue cathode materials doped with Fe²⁺［J］.Journal of Hubei University of Technology，2022，37（4）：71-74.
76	刘航瑞.镍基普鲁士蓝材料的可控制备及储钠性能研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2022.

[1]	贺东玮, 张彬, 尤雅. 钠离子单晶层状氧化物正极研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 1-12.
[2]	魏婷婷, 王振宏, 伊廷锋. 钠离子电池层状正极材料相变与电荷补偿机制[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 13-24.
[3]	王新宇, 张凯洋, 者荣杰, 刘汉浩, 谷振一, 何晓燕, 吴兴隆. 钠离子电池煤基硬碳负极材料的改性制备与应用挑战[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 25-34.
[4]	吕士忠, 李天龙, 房睿, 卢宝光, 郑成志, 赵磊, 邓亮, 王振波. 磷酸钒钠正极材料的Zr⁴⁺掺杂改性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 44-51.
[5]	张博杨, 滕彦梅. O3型层状过渡金属氧化物正极材料高电压稳定性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 52-61.
[6]	刘海燕, 苑仁鲁, 龙厚坤, 沈祺, 赵博洋, 刘学伟, 宋怀河. 纤维素衍生硬炭的结构调控和储钠性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(6): 62-73.
[7]	赵恩锋, 武宏大, 蔡天凤, 杨占旭. 钠离子电池电解液添加剂的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(5): 65-72.
[8]	盛大伟, DIN HASEEB UD, 张济原, 刘晓旭. 还原氧化石墨烯微观结构调控及储钠性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 48-56.
[9]	贺柳洋, 李晓杰, 王婵, 段春阳. 石墨烯掺杂对三元钠离子电池正极材料电化学性能的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 64-72.
[10]	张博, 郄佳鑫, 曹永安, 赵久成, 吴军, 王文举. 基于可视化分析辅助探究钠离子电池硬碳负极研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 1-9.
[11]	游济远, 曹永安, 孟绍良, 赵久成, 吴军, 王文举. 钠离子电池正极材料研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(2): 1-8.
[12]	沙畅畅, 毛杨杨, 曹永安, 王文举. 用于锂硫电池正极的生物质碳材料制备与应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 1-7.
[13]	杨占旭,乔庆东,康晓雪,姜海波. 高温固相法制备LiFePO₄/C 正极材料及其性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(5): 38-40.
[14]	杨占旭,乔庆东. 锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.2O₂的合成及性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(1): 18-20.