钠离子电池：锂离子电池的潜在替代者

我是谁 功材1902 2019035623

前言

目前诸如石油、煤、天然气等化石燃料是全世界使用最广泛的能源。但是由于资源枯竭、环境污染和政治动荡等因素，一些可持续能源受到人们的关注和研究。比如风能、太阳能等。利用这些能源转化出的电能，是缓解能源危机的重要举措。在各种储能技术中，电化学的二次电池技术具有灵活性高，能量转换效率高，维护简单等特点，是大规模储存电力的有效方法。近几十年来对于锂离子电池的研究和应用，使锂离子电池（LIB）成为当今最受欢迎、应用最广泛的电池。而由于智能电网的负载均衡、锂源的可持续性等原因，近年来钠离子电池（SIB）的研究方兴未艾。本文分析了钠离子电池对锂离子电池的优势与劣势，并着重介绍了钠离子电池的正负极材料研究进展。

正文

1.钠离子电池与锂离子电池的对比

1.1资源方面：

锂在地壳中的分布并不均匀，因此一些锂资源丰富的国家，比如安第斯成为“新中东”由此引发了锂价格上涨以及其他复杂的国际问题，加上全球每年对锂的需求日益增加，目前全球可开采的锂最多维持世界需要的65年左右。

而钠是地壳中含量第五的丰富元素，在地壳中含量约为2.74%。而且制钠的反应物含量丰富而且廉价，比如相比与碳酸锂的价格（5000美元每吨），碳酸钠的价格要低很多（约150美元每吨）。

因此从资源方面来看，钠离子电池替代锂离子电池有很大优势。

1.2电化学性能方面

与锂的熔点（181℃）相比，钠的较低熔点（98℃）对使用金属阳极的电池造成额外的安全问题。

正如前文提到的，已知的钠化合物总数与锂相比较多，因此电池反应可能需要更多的中间步骤。但是另一方面，铝与锂形成二元合金，但不与钠形成。因此，可以使用铝代替昂贵的铜作为钠电池负极的集电器，而大部分锂离子电池用铜作阳极材料。还有，钠与锂相反，当暴露于N₂气氛时不会形成稳定的氮化物。这对于在空气下操作的钠离子电池有利。

从电化学性能方面来看，虽然有一些方面钠离子电池性能并不是太好，但由于一些重要方面的优异性能，钠离子电池还是很有研究和开发价值的。

2.钠离子电池研究进展

2.1阴极材料：

与LIB类似，要想获得高容量和良好的可循环性，SIB需要高度可逆的阴极材料。这些电极材料主要分为氧化物，聚阴离子如磷酸盐，焦磷酸盐，氟硫酸盐，氯氧化物和NASICON（Na超离子导体）类型。

2.1.1二维层状过渡金属氧化物

其实早在二十世纪八十年代初，Delmas和Hagenmuller就开始对二维层状氧化物进行研究。由Delmas 等人将有代表性的过渡金属氧化物Na_{1- x}MO₂（M：过渡金属）分为O3型和P2型两大类。

2.1.2二维或三维层状过渡金属氧化物和氟化物

这些化合物通常具有开放结构以使Na +离子进入其晶体结构。特别是在三维结构中，Na +离子可以在x，y和z方向上扩散; 相对于二维结构，快速Na +迁移是可能的。这些化合物中的许多是在低温下合成的，使得它们具有小颗粒的大表面积有助于意外的高倍率性能。与Na金属相比，这些电极是有活性的; 然而，主要困难是需要阳极氧化来构建全电池。主要包括锰氧化物、钒氧化物、金属氟氧化物等。

2.1.3三维聚阴离子化合物

与氧化物和氟化物体系相比，过渡金属聚阴离子材料显示出显着的热稳定性，这由于共价键如P和O的存在而得到支持，特别是阴极处于深度充电（氧化）状态。在高于200℃的温度下，层状化合物中的氧气释放是常见的;然而，这种行为被晶体结构中P-O共价键的存在显着抑制。这些现象在Li电池中占优势，并且也适用于Na系统。基于聚阴离子的材料相对于氧化物通常表现出较低的电导率，使得使用导电碳的表面改性有助于显着提高电导率，从而改善电化学性能。

此类材料主要有磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐和混合磷酸盐等几类。

2.2阳极材料

如前文所述SIB已经引入了几种阴极材料。同时 SIB的阳极材料最近的发展已经通过使用选择的含碳材料，过渡金属氧化物（或硫化物）和金属间化合物和有机化合物，来实现。根据电化学过程中的反应机理，开发了用于SIB的上述阳极材料的三个主要类别的研究：（1）插入反应，（2）转化反应，和（3）合金化反应。