钠离子电池关键材料概述

钠离子电池关键材料概述

钠离子电池关键材料包括正极材料、负极材料、电解液和隔膜。由于正极材料理论比容量相对较低，因此正极材料决定着电池的容量，负极材料则影响着电池的反应动力学性能，电解液直接关乎电池的稳定性和安全性，而隔膜的特性是在有效提高电池运行安全的同时降低燃爆风险。因此，作为构筑高性能钠离子电池的关键，研究者需要针对上述4种材料进行深入研究，制备出具有优异电化学性能和良好商业应用前景的电池材料。

钠离子电池充放电过程与锂离子电池充放电过程中发生的反应相同，均为嵌入/脱出反应，即嵌质（Na+）在主体晶格（如Na3V2(PO4)3）中的嵌入/脱出。因为骨架在嵌入和脱出的过程中，主体仅发生微小的结构重组，结构和组成都保持着完整性，反应被认为是局部规整的。脱出量及主体的可逆嵌脱循环性能决定了二次电池的容量与循环寿命。根据式（1-1），可计算得到材料的理论容量。

式中：C理论为理论比容量；n为嵌入锂的摩尔数；F为法拉第常数；M为物质的分子量。

理想的正极材料，应具有以下特性：

（1）嵌入反应应具有大的吉布斯自由能，可使正极同负极之间保持一个较大的电势差，提供较高的电池电压。

（2）在一定范围内，钠离子嵌入反应的ΔG改变量较小，即钠离子嵌入量较大；电极电势对嵌入量的依赖性较小，以便保证电池有较高的电化学容量及较平稳的充放电电压。

（3）具有层状或大孔径隧道结构的晶体，钠离子在“层间”或“隧道”中应有较大的扩散系数和迁移系数，保证较大的扩散速率，并具有良好的电子导电性，以保证电池有较好的快速充放电性能。

（4）在钠离子嵌入/脱出过程中，正极材料具有较小的体积变化，以保证良好的循环可逆性，提高电池的循环性能。

（5）在要求的充放电电位范围，电极与电解质溶液相容性好，即电极/电解液界面具有良好的热稳定性、化学稳定性及电化学稳定性。

（6）价格低廉，在空气中储存性好，对环境无污染，质量轻。

目前典型的钠离子电池正极材料可大致分为两类。第一类为层状材料，这些材料都具有阴离子密堆或准密堆结构，阴离子簇间的交替层被具有氧化还原性的过渡金属离子占据，钠离子则嵌入剩余簇间空位。具有代表性的第一类正极材料有Na1-xFeO2、P2-Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2、Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2等[14]。第二类材料则具有更为敞开的结构，聚阴离子型化合物（如NaFePO4、Na3V2(PO4)3F3）和金属有机框架化合物（如普鲁士蓝及其类似物）都属于这种结构[17,18]。由于晶体结构更为紧凑，第一类材料在单位体积的能量储存上拥有本质上的优势。但是某些第二类材料，在成本上更具优势。