01【工作介紹】

由于潛在的成本和安全優(yōu)勢，鈉離子電池系統(tǒng)吸引了學術界和工業(yè)界的廣泛興趣。然而，這兩個領域之間存在差距，需要通過進一步的研究努力來彌補。作為潛在的商業(yè)化鈉離子電池正極材料，普魯士藍類似物、聚陰離子化合物和過渡金屬層狀氧化物由于具有獨特的物理、化學性質而備受關注。因此，本綜述首先從電化學性能、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。通過綜合評估，具有良好的電化學性能、低成本、可擴展性、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問題和重大缺陷需要得到解決。因此，本綜述總結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、結構和界面），以彌合學術界和工業(yè)界之間的差距。此外，本綜述還簡要地概述了鈉離子電池負極材料和電解液的研究進展和未來發(fā)展目標以期進一步推動鈉離子電池的商業(yè)化發(fā)展。

02【主要內(nèi)容】

近幾十年來，鈉離子電池越來越受到關注，因為它們具有成本和安全優(yōu)勢。并避免了與有限的鋰/鈷/鎳資源和環(huán)境污染有關的挑戰(zhàn)。由于鈉離子電池的儲鈉性能和生產(chǎn)成本幾乎由正極性能決定，因此開發(fā)具有大規(guī)模生產(chǎn)能力的先進正極材料是實現(xiàn)鈉離子電池商業(yè)應用的關鍵。因此，開發(fā)具有高能量密度、長循環(huán)壽命、低生產(chǎn)成本和高化學/環(huán)境穩(wěn)定性的正極材料對于實施先進的鈉離子電池至關重要。在已開發(fā)的鈉離子電池正極材料中，O3型過渡金屬氧化物因其合成方法簡單、理論比容量高、鈉含量充足而受到廣泛關注。然而，相對較大的鈉離子半徑導致在脫/嵌過程中緩慢的離子擴散動力學和不可避免的復雜相變，導致較差的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，本文全面總結了O3型正極的研究進展和改性策略，包括組分設計、表面工程和合成方法的優(yōu)化。這項工作旨在指導層狀氧化物的開發(fā)，并為下一代儲能系統(tǒng)提供技術支持。

03【圖文詳情】

圖1. a） 關于SIBs和SIBs正極材料的出版物數(shù)量。b） 2013年至2023年間關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（立方相結構）的典型晶體結構。d） 層狀氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍類似物的關鍵性能對比圖。

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相結構中的離子擴散能壘。 b）初始充電過程中Na[Ni0.5Mn0.5]O2的原位XRD圖譜。c） Na[Ni0.5Mn0.5]O2在不同充電狀態(tài)下的截面掃描電子顯微鏡圖像。d）Na0.8Mg0.2Fe0.4Mn0.4O2因暴露于空氣而導致的結構退化和裂紋形成示意圖。 e） 化學誘導表面重建的示意圖。

04【總結和展望】

具有成本和安全優(yōu)勢的鈉離子電池在下一代大規(guī)模儲能系統(tǒng)和中程電動汽車中取代鋰離子電池顯示出巨大的潛力。在全電池應用中，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、長使用壽命、低生產(chǎn)成本和實用性而被認為是最有前途的正極候選者。然而，它們緩慢的鈉離子動力學、復雜的相演化過程、在循環(huán)過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)模應用的主要因素。最近的研究表明，通過合理的成分/結構設計定制層狀氧化物可以有效地克服一些固有的缺點，這對促進鈉離子電池的商業(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)模應用提供了建設性的前景。通過結合多種優(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），這被認為是商業(yè)鋰離子電池技術的重要補充。在未來幾年，我們希望鈉離子電池的電化學性能將得到進一步提高，為學術界和工業(yè)界創(chuàng)造機會。

05【文章鏈接】

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#

06【通訊作者簡介】

Yang-Kook Sun院士: 1992年于首爾國立大學獲得化學工程博士學位。他曾在三星先進技術研究所擔任研究組長，為鋰聚合物電池的商業(yè)化做出了貢獻。他的主要研究方向為先進儲能和轉換材料的設計、合成、結構分析及其二次電池應用，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國際合作項目，發(fā)表了600多篇文章，并擁有341項注冊和應用專利。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 等學術刊物上發(fā)表多篇研究論文，被引用八萬余次，H因子152。