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鈉離子電池（SIBs）作為下一代可持續(xù)能源技術(shù)，由于鈉的巨大自然儲量和低成本，在大規(guī)模儲能系統(tǒng)（EESs）和智能電網(wǎng)中得到了廣泛的研究。盡管人們在探索SIBs的層狀過渡金屬氧化物正極方面做出了巨大的努力，但它們的性能已經(jīng)達(dá)到了進(jìn)一步實際應(yīng)用的瓶頸。目前，層狀過渡金屬氧化物中的陰離子氧化還原已成為提高可充電池能量密度的一種新方法。

北京理工大學(xué)吳川、白瑩、李雨等系統(tǒng)總結(jié)陰離子氧化還原反應(yīng)的發(fā)展歷史，并對陰離子氧化還原機(jī)理進(jìn)行深入探討。特別地，提出了陰離子氧化還原的主要挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的觸發(fā)和穩(wěn)定陰離子氧化還原的可用策略。隨后，根據(jù)富鈉或缺鈉材料對幾種鈉層狀氧化物正極進(jìn)行了分類和比較討論。此外，還總結(jié)了大量陰離子氧氧化還原的漸進(jìn)表征技術(shù)。最后，對陰離子氧化還原反應(yīng)鈉層狀過渡氧化物的現(xiàn)有前景和未來發(fā)展方向進(jìn)行了分析和建議。

圖1 鈉離子電池層狀過渡氧化物正極概述

基于陰離子和陽離子氧化還原的氧化物正極材料的開發(fā)對于SIBs的未來實際應(yīng)用至關(guān)重要。對于陰離子氧化還原，必須考慮許多因素，包括高能量密度、長期循環(huán)、倍率性能、安全性和低成本。從實際應(yīng)用的角度來看，具有陰離子氧化還原作用的鈉層狀氧化物的未來發(fā)展方向可能包括：

（1）3d-金屬層狀氧化物由于其豐富且成本低而被廣泛研究。然而，大多數(shù)3d金屬缺乏與氧的共價以實現(xiàn)還原耦合機(jī)制。因此，必須開發(fā)替代金屬和配體之間具有高共價性的正極。引入非金屬(d¹⁰)相關(guān)元素，如 Mg、Zn、Cu和Ti，可有效穩(wěn)定可逆陰離子氧化還原。相比之下，非金屬(d⁰)相關(guān)元素(Li)和空位可增加O 2p 孤對的數(shù)量，這有利于觸發(fā)陰離子氧化還原反應(yīng)，但會降低可逆性。因此，觸發(fā)和穩(wěn)定陰離子氧化還原反應(yīng)之間的平衡至關(guān)重要。

圖2 4d TM基富鈉氧化物正極材料

（2）具有陰離子氧化還原作用的3d金屬層狀氧化物的研究集中在缺鈉的正極上。然而，考慮到足夠的鈉補(bǔ)充，不應(yīng)從正極中放棄富鈉層狀氧化物，尤其是3d金屬富鈉層狀氧化物。錳基富鈉氧化物，如Na_1.2Mn_0.4Ir_0.4O₂、Na_1.14Mn_0.57Ti_0.29O₂和Na₂Mn₃O₇，基于陰離子氧化還原反應(yīng)可提供高可逆容量。

（3）陰離子氧化還原反應(yīng)發(fā)生在高電壓下，導(dǎo)致劇烈的電解分解。不可逆的陰離子氧化還原和氧損失發(fā)生在正極材料的表面區(qū)域，深度約為10 nm。因此，穩(wěn)定的電極電解質(zhì)界面層是穩(wěn)定陰離子氧化還原和減少界面副產(chǎn)物的關(guān)鍵因素。在這種情況下，表面摻雜和表面涂覆惰性元素，如Nb、Zr、Ir和Si，可用于增強(qiáng)晶體結(jié)構(gòu)和提高陰離子氧化還原可逆性。

圖3 觸發(fā)和控制氧化還原的策略總結(jié)

Unraveling Anionic Redox for Sodium Layered Oxide Cathodes: Breakthroughs and Perspectives. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202106171

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北理吳川/白瑩/李雨AM：揭示鈉層狀氧化物正極的陰離子氧化還原：突破和前景

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