由于潛在的成本和安全優(yōu)勢(shì)，鈉離子電池系統(tǒng)吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛興趣。然而，這兩個(gè)領(lǐng)域之間存在差距，需要通過(guò)進(jìn)一步的研究努力來(lái)彌補(bǔ)。作為潛在的商業(yè)化鈉離子電池正極材料，普魯士藍(lán)類(lèi)似物、聚陰離子化合物和過(guò)渡金屬層狀氧化物由于具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注。

因此，本綜述首先從電化學(xué)性能、成本、安全性和環(huán)境影響等方面討論了上述候選正極材料的商業(yè)化前景。通過(guò)綜合評(píng)估，具有良好的電化學(xué)性能、低成本、可擴(kuò)展性、環(huán)境友好和高安全性的層狀氧化物表現(xiàn)出最佳的綜合性能，因此被認(rèn)為是最合適的商業(yè)化正極材料。

然而，層狀氧化物仍有一些科學(xué)問(wèn)題和重大缺陷需要得到解決。因此，本綜述總結(jié)了用于鈉離子電池的O3型層狀氧化物正極材料的主要挑戰(zhàn)，并概述了最新的優(yōu)化策略（包括：成分、結(jié)構(gòu)和界面），以彌合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的差距。

此外，本綜述還簡(jiǎn)要地概述了鈉離子電池負(fù)極材料和電解液的研究進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展目標(biāo)以期進(jìn)一步推動(dòng)鈉離子電池的商業(yè)化發(fā)展。

近幾十年來(lái)，鈉離子電池越來(lái)越受到關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂谐杀竞桶踩珒?yōu)勢(shì)。并避免了與有限的鋰/鈷/鎳資源和環(huán)境污染有關(guān)的挑戰(zhàn)。由于鈉離子電池的儲(chǔ)鈉性能和生產(chǎn)成本幾乎由正極性能決定，因此開(kāi)發(fā)具有大規(guī)模生產(chǎn)能力的先進(jìn)正極材料是實(shí)現(xiàn)鈉離子電池商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

因此，開(kāi)發(fā)具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低生產(chǎn)成本和高化學(xué)/環(huán)境穩(wěn)定性的正極材料對(duì)于實(shí)施先進(jìn)的鈉離子電池至關(guān)重要。在已開(kāi)發(fā)的鈉離子電池正極材料中，O3型過(guò)渡金屬氧化物因其合成方法簡(jiǎn)單、理論比容量高、鈉含量充足而受到廣泛關(guān)注。

然而，相對(duì)較大的鈉離子半徑導(dǎo)致在脫/嵌過(guò)程中緩慢的離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和不可避免的復(fù)雜相變，導(dǎo)致較差的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，本文全面總結(jié)了O3型正極的研究進(jìn)展和改性策略，包括組分設(shè)計(jì)、表面工程和合成方法的優(yōu)化。這項(xiàng)工作旨在指導(dǎo)層狀氧化物的開(kāi)發(fā)，并為下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

圖1. a） 關(guān)于SIBs和SIBs正極材料的出版物數(shù)量。b） 2013年至2023年間關(guān)于各種正極材料的出版物比例。c） 層狀氧化物（O3型）、聚陰離子化合物（NASICON）和PBAs（立方相結(jié)構(gòu)）的典型晶體結(jié)構(gòu)。d） 層狀氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類(lèi)似物的關(guān)鍵性能對(duì)比圖。

圖2. a） 三種代表性正極的平均工作電壓、比容量和能量密度。b） 三種正極的循環(huán)壽命。

圖3. O3型層狀氧化物正極材料的主要挑戰(zhàn)和優(yōu)化策略示意圖

圖4. a） P2和O3相結(jié)構(gòu)中的離子擴(kuò)散能壘。[88] b）初始充電過(guò)程中Na[Ni_0.5Mn_0.5]O₂的原位XRD圖譜。c） Na[Ni_0.5Mn_0.5]O₂在不同充電狀態(tài)下的截面掃描電子顯微鏡圖像。[107] d）Na_0.8Mg_0.2Fe_0.4Mn_0.4O₂因暴露于空氣而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)退化和裂紋形成示意圖。[108] e） 化學(xué)誘導(dǎo)表面重建的示意圖。[109]

具有成本和安全優(yōu)勢(shì)的鈉離子電池在下一代大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)和中程電動(dòng)汽車(chē)中取代鋰離子電池顯示出巨大的潛力。在全電池應(yīng)用中，具有足夠鈉離子的O3型層狀氧化物由于其高工作電壓、高可逆容量、長(zhǎng)使用壽命、低生產(chǎn)成本和實(shí)用性而被認(rèn)為是最有前途的正極候選者。

然而，它們緩慢的鈉離子動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜的相演化過(guò)程、在循環(huán)過(guò)程中形成微裂紋和表面重建的傾向，以及空氣敏感性是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。最近的研究表明，通過(guò)合理的成分/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定制層狀氧化物可以有效地克服一些固有的缺點(diǎn)，這對(duì)促進(jìn)鈉離子電池的商業(yè)化具有重要意義。

因此，本文綜述了O3型正極材料在鈉離子電池中的發(fā)展現(xiàn)狀，并為其大規(guī)模應(yīng)用提供了建設(shè)性的前景。通過(guò)結(jié)合多種優(yōu)化策略，O3型正極在鈉離子電池系統(tǒng)中有望實(shí)現(xiàn)高容量（>180 mA h g^?1）、高工作電壓（>3.6 V）和良好熱穩(wěn)定性（放熱峰值>270 °C），這被認(rèn)為是商業(yè)鋰離子電池技術(shù)的重要補(bǔ)充。

在未來(lái)幾年，我們希望鈉離子電池的電化學(xué)性能將得到進(jìn)一步提高，為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

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#

Yang-Kook Sun院士: 1992年于首爾國(guó)立大學(xué)獲得化學(xué)工程博士學(xué)位。他曾在三星先進(jìn)技術(shù)研究所擔(dān)任研究組長(zhǎng)，為鋰聚合物電池的商業(yè)化做出了貢獻(xiàn)。他的主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換材料的設(shè)計(jì)、合成、結(jié)構(gòu)分析及其二次電池應(yīng)用，主要成就之一是提出了用于鋰離子電池的層狀濃度梯度正極材料。Yang-Kook Sun教授在世界各地有多個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目，發(fā)表了600多篇文章，并擁有341項(xiàng)注冊(cè)和應(yīng)用專(zhuān)利。以通訊作者身份在Nature materials, Energy & Environmental Science, ACS Energy Letters, Journal of the American Chemical Society, Advanced Energy Materials 等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表多篇研究論文，被引用八萬(wàn)余次，H因子152。