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钠离子电池关键材料研究及工程化探索进展

科学通报 2022年第30期67卷 3546-3564页

作者：党荣彬陆雅翔容晓晖丁飞翔郭秋卜许伟良陈立泉胡勇胜中国科学院物理研究所北京100190

“双碳”背景下,钠离子电池因成本低廉、安全环保和性能优异等优点受到社会各界的重点关注.低成本的钠离子电池是锂离子电池的有益补充,并将在储能领域展现自己的独特优势,现阶段钠离子电池正处于由实验室探索到产业化推进的关键节点.... 详细信息

“双碳”背景下,钠离子电池因成本低廉、安全环保和性能优异等优点受到社会各界的重点关注.低成本的钠离子电池是锂离子电池的有益补充,并将在储能领域展现自己的独特优势,现阶段钠离子电池正处于由实验室探索到产业化推进的关键节点.本文简要介绍了钠离子电池的研究背景,重点介绍了中国科学院物理研究所在钠离子电池关键材料(正极、负极和电解质)、基础理论和工程化探索方面取得的重要进展,对钠离子电池的未来发展方向进行了展望,以期推动钠离子电池的持续发展,加速钠离子电池的商业化应用.

关键词：钠离子电池正极负极电解质机理研究工程化

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钠离子电池工程化——机遇与挑战

Engineering 2023年第5期24卷 172-183,I0005页

作者： Lina Zhao Teng Zhang Wei Li Tao Li Long Zhang Xiaoguang Zhang Zhiyi Wang Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education School of Chemical Engineering and TechnologyTianjin UniversityTianjin 300072China School of Materials Science and Engineering Peking UniversityBeijing 100871China Beijing Innovation Center for Engineering Science and Advanced Technology(BIC-ESAT) Beijing 100871China Beijing Key Laboratory for Magnetoelectric Materials and Devices(BKL-MMD) Beijing 100871China

当前,在应对全球能源枯竭与环境恶化之际,可持续且环境友好的可再生能源正迎来重要的发展机遇。以二次电池为代表的电化学储能技术(EES),可实现绿色新能源安全且经济有效的存储和转化,被视为平抑可再生能源间歇性并实现稳定并网输入的... 详细信息

当前,在应对全球能源枯竭与环境恶化之际,可持续且环境友好的可再生能源正迎来重要的发展机遇。以二次电池为代表的电化学储能技术(EES),可实现绿色新能源安全且经济有效的存储和转化,被视为平抑可再生能源间歇性并实现稳定并网输入的最佳解决方案。钠离子电池(SIB),受益于钠资源的丰富性及低成本,是下一代大规模电化学存储系统最具应用前景的选择之一。本文详细讨论了锂离子电池(LIB)和钠离子电池在不同应用场景下的主要区别,并描述了当前对钠离子电池的理解。通过比较锂离子电池、铅酸电池(LAB)和钠离子电池之间的技术发展情况,进一步揭示钠离子电池的优势。本文以基于钠离子电池技术所取得的商业化成就为文章亮点,重点介绍了五家钠离子电池企业和相应的钠离子电池产品,以及各自的钠离子电池化学与技术。最后,讨论了下一代钠离子电池商业化的前景与挑战。

关键词：钠离子电池锂离子电池铅酸电池二次电池可再生能源能源枯竭技术发展情况环境恶化

钠离子电池P2相镍锰基层状氧化物正极材料的研究进展

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工程科学学报 2023年第7期45卷 1071-1085页

作者：姜娜孙珞然王慧丽伍忠汉焦培鑫张凯南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室天津300071 物质绿色创造与制造海河实验室天津300192

P2型Na_(0.67)[Ni,Mn]O_(2)材料由于较高的比容量、工作电压以及较好的空气稳定性成为最具前景的钠离子电池正极材料之一.然而,高压相变、Na^(+)/空位有序排布以及由Mn^(3+)引起的Jahn-Teller扭曲导致该类材料充放电过程中面临结构失稳... 详细信息

P2型Na_(0.67)[Ni,Mn]O_(2)材料由于较高的比容量、工作电压以及较好的空气稳定性成为最具前景的钠离子电池正极材料之一.然而,高压相变、Na^(+)/空位有序排布以及由Mn^(3+)引起的Jahn-Teller扭曲导致该类材料充放电过程中面临结构失稳以及性能衰减的挑战.本综述从P2型Na_(0.67)[Ni,Mn]O_(2)材料的失效机制出发,系统阐述了该类材料的最新进展.最后,对其未来的发展方向进行了展望.本文将为P2-type Na_(0.67)[Ni,Mn]O_(2)材料的研发与商业化提供借鉴.

关键词：钠离子电池正极材料镍锰基层状氧化物性能衰退机制离子掺杂表面修饰 P2/O3双相结构

钠离子电池Na_(0.62)K_(0.05)Mn_(0.7)Ni_(0.2)Co_(0.1)O_(2)正极材料:钾离子掺杂且{001}面稳定的中空多面体

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Science China Materials 2023年第1期66卷 79-87页

作者：黄志雄张雪丽赵欣欣衡永丽王婷耿洪波吴兴隆 MOE Key Laboratory for UV Light-Emitting Materials and Technology Northeast Normal UniversityChangchun 130024China School of Materials Engineering Changshu Institute of TechnologyChangshu 215500China Faculty of Chemistry Northeast Normal UniversityChangchun 130024China

钠离子电池中,正极材料至关重要,在很大程度上决定了整个电池的能量密度等性能.层状氧化物是钠离子电池中最有潜力的正极材料之一.然而,层状氧化物仍面临着不可逆相变、容量低、空气稳定性差和循环寿命短等缺点,限制了其实际应用.为了... 详细信息

钠离子电池中,正极材料至关重要,在很大程度上决定了整个电池的能量密度等性能.层状氧化物是钠离子电池中最有潜力的正极材料之一.然而,层状氧化物仍面临着不可逆相变、容量低、空气稳定性差和循环寿命短等缺点,限制了其实际应用.为了解决相关问题,本研究成功制备了中空结构的Na_(0.62)K_(0.05)Mn_(0.7)Ni_(0.2)Co_(0.1)O_(2)多面体正极材料.其中,少量的大尺寸钾离子实现了对材料中相应钠离子的取代;镍离子的较高氧化还原电位使得氧化物正极材料能够在空气中稳定保存.在100 mA g^(-1)电流密度下放电100次后,仍可保持115.0 mA h g^(-1)的放电比容量.在500 mA g^(-1)的较大电流密度下,材料仍然可实现104.1 mA h g^(-1)的较高放电比容量.研究结果表明,充放电过程中,氧化物正极材料的P2到O2的相变得到了有效地抑制.同时钾离子在层间的嵌入掺杂,使得氧化物正极的钠离子层间距增大,提升了钠离子的迁移速率.因此,Na_(0.62)K_(0.05)Mn_(0.7)Ni_(0.2)Co_(0.1)O_(2)应用于钠离子电池正极时展现出较大的吸引力和应用前景.

关键词：钠离子电池正极材料放电比容量层状氧化物充放电过程大电流密度空气稳定性能量密度

钠离子电池用O3型层状NaCrO_(2)正极材料在高温下的优异倍率性能和结构演变

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中国科学:材料科学(英文版) 2023年第9期66卷 3445-3452页

作者：孟祥聪梁锦记梁敏李文雅林琛翰柯曦施志聪刘丽英 School of Materials and Energy Guangzhou Key Laboratory of Low-dimensional Materials and Energy Storage DevicesGuangdong University of TechnologyGuangzhou 510006China

为满足钠离子电池的实际应用,本文采用一种低能耗方法合成了层状NaCrO_(2)正极材料.合成的O3型NaCrO_(2)正极材料即使在高温下也表现出优异的倍率性能.在60℃,100 C倍率下测试时比容量高达47.4 mA h g^(-1),这是由于适当的高温促进了Na^... 详细信息

为满足钠离子电池的实际应用,本文采用一种低能耗方法合成了层状NaCrO_(2)正极材料.合成的O3型NaCrO_(2)正极材料即使在高温下也表现出优异的倍率性能.在60℃,100 C倍率下测试时比容量高达47.4 mA h g^(-1),这是由于适当的高温促进了Na^(+)的扩散.然而,与室温下良好的循环性能相比,高温循环过程中NaCrO_(2)发生了复杂的不可逆结构演变,这导致NaCrO_(2)高温循环性能下降.这项工作将推动具有优异倍率性能、尤其是优异高温倍率性能的钠离子电池层状氧化物正极材料的产业化发展,同时加深对层状氧化物正极材料高温容量衰减机制的理解.

关键词：钠离子电池正极材料倍率性能层状氧化物高温循环性能容量衰减结构演变低能耗

钠离子电池双层碳包覆Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)正极材料的超声辅助溶液燃烧合成及其电化学性能

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材料研究学报 2023年第2期37卷 129-135页

作者：罗昱陈秋云薛丽红张五星严有为华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074

用超声辅助溶液燃烧合成技术制备双层碳包覆的Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)(NVP)钠离子电池正极材料,并对其电化学性能进行深入的研究。结果表明,双层碳包覆在NVP颗粒表面,由内自外分别为无定形硬碳和石墨烯。石墨烯添加量为5.0%(质量分数)... 详细信息

用超声辅助溶液燃烧合成技术制备双层碳包覆的Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)(NVP)钠离子电池正极材料,并对其电化学性能进行深入的研究。结果表明,双层碳包覆在NVP颗粒表面,由内自外分别为无定形硬碳和石墨烯。石墨烯添加量为5.0%(质量分数)的碳包覆NVP复合材料具有优异的电化学性能,在1 C倍率下充放电其初始比容量为117 mAh·g^(-1),循环300圈后容量的保持率为79%,在10 C倍率下其放电比容量高达100 mAh·g^(-1)。这种正极材料电化学动力学性能的提高,源于均匀的双层碳包覆结构及其构建的三维电子传输通道。

关键词：复合材料 C@Na_(3)V_(2)(PO_(4))_(3) 超声辅助溶液燃烧钠离子电池

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钠离子电池层状氧化物正极材料研究进展

工程科学学报 2022年第4期44卷 601-611页

作者：菅夏琰金俊腾王瑶沈秋雨刘永畅北京科技大学新材料技术研究院北京100083 北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

钠离子电池凭借资源和成本优势在大规模储能和低速电动车领域展现出极大应用前景.层状氧化物理论容量较高且易于合成,是目前最具应用潜力的钠离子电池正极材料之一.如何改善层状氧化物正极材料的循环稳定性并提升其能量密度是当前的科... 详细信息

钠离子电池凭借资源和成本优势在大规模储能和低速电动车领域展现出极大应用前景.层状氧化物理论容量较高且易于合成,是目前最具应用潜力的钠离子电池正极材料之一.如何改善层状氧化物正极材料的循环稳定性并提升其能量密度是当前的科学前沿问题.首先,综述了层状氧化物正极材料的几种典型改性方法,从组分设计的角度,探讨了不同掺杂元素、不同掺杂位点对材料容量和循环寿命的影响,阐述了利用阴离子反应提供额外容量的基本原理,概述了提高阴离子氧化还原可逆性的掺杂策略;从结构设计的角度,介绍了复合相材料的制备、微观结构的设计和调控等方向的最新进展;从表面设计的角度,讨论了金属氧化物、磷酸盐等作为包覆层对改善材料稳定性和倍率性能的作用机制.最后,总结了层状氧化物储钠正极材料现阶段面临的挑战,并对其未来的发展方向进行了展望,提出了新的研究思路.

关键词：钠离子电池正极材料层状氧化物改性手段阴离子氧化还原

钠离子电池复合负极材料MoSe_(2)@N,P-C的合成与性能研究

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Journal of Central South University 2022年第9期29卷 2991-3002页

作者：彭涛罗玉红汤林波贺振江闫澄毛景代克华吴贤文郑俊超 School of Metallurgy and Environment Central South UniversityChangsha 410083China National Engineering Research Center of Low-carbon Nonferrous Metallurgy (Central South University)Changsha 410083China Engineering Research Center of Ministry of Education for Advanced Battery Materials Central South UniversityChangsha 410083China School of Mechanical Medical and Process EngineeringQueensland University of TechnologyBrisbaneQueensland 4001Australia School of Materials Science and Engineering Zhengzhou UniversityZhengzhou 450001China College of Chemistry Tianjin Normal UniversityTianjin 300387China School of Chemistry and Chemical Engineering Jishou UniversityJishou 416000China School of Materials Science and Engineering Central South UniversityChangsha 410083China

在钠离子电池体系中,基于转化反应机理的负极材料具有极高的比容量。然而,这类材料的结构稳定性差,可能出现结构坍塌,限制其应用。本文采用水热法,合成了MoSe_(2)@N,P-C复合材料,作为钠离子电池负极材料。以有机溶剂作为插层剂,扩大MoSe... 详细信息

在钠离子电池体系中,基于转化反应机理的负极材料具有极高的比容量。然而,这类材料的结构稳定性差,可能出现结构坍塌,限制其应用。本文采用水热法,合成了MoSe_(2)@N,P-C复合材料,作为钠离子电池负极材料。以有机溶剂作为插层剂,扩大MoSe_(2)纳米片的层间距,从而提升其导电能力,并在后续烧结过程中引入碳源,使MoSe_(2)表面形成独特的碳层,实现纳米材料的表面杂化。这种方法制备的MoSe_(2)@N,P-C复合材料表现出优异的倍率性能,在大电流密度下进行充放电仍能维持其结构稳定。在0.5 A/g恒定电流密度下循环100圈后,其放电容量达302.4 mA·h/g,容量保持率为84.96%。

关键词：钠离子电池 MoSe_(2) 负极材料原子掺杂电化学性能

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料的研究进展

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稀有金属 2022年第6期46卷 776-795页

作者：孙媛媛李思卿王成儒钱昱骁郑时有袁涛上海理工大学材料与化学学院上海200093

钠离子电池与锂离子电池工作原理相似,却有着更低的成本和更高的安全性,因此被认为是可以替代锂离子电池的下一代储能体系。在钠离子电池中,由于正极起到提供钠离子以及决定电池能量密度的关键作用,因此对正极材料的开发和研究尤为重要... 详细信息

钠离子电池与锂离子电池工作原理相似,却有着更低的成本和更高的安全性,因此被认为是可以替代锂离子电池的下一代储能体系。在钠离子电池中,由于正极起到提供钠离子以及决定电池能量密度的关键作用,因此对正极材料的开发和研究尤为重要。在已报道的钠离子电池正极材料中,层状过渡金属氧化物材料(Na_(x)TMO_(2))因其结构简单、工作电位高和易于合成,被认为最具商业潜力。本综述以过渡金属氧化物为主线,主要集中在对O3型、P2型、P3型和双相/多相等各种层状正极氧化物材料的结构特点、改性方法、电化学性能等最新研究进展进行了总结,并根据目前存在的问题提出了该材料未来的发展方向。

关键词：钠离子电池正极层状过渡金属氧化物 O3相 P2相