合作了粉体圈，您就合作了整个粉体工业！
钠离子电池具有许多不可替代的优点，且资源丰富具有成本优势，使其有望成为除锂离子电池以外的另一大规模商业化的二次电池之一。低浓度的钠盐电解液可实现较高的离子电导率，另外，钠与锂作为同一主族元素，钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理，从而在后续探索中可参考锂离子电池的一些研究成果。
一、钠离子电池的独特性与存在的问题
钠离子电池的一大特点是钠不会与铝箔发生反应，因此可以采用较为便宜的铝集流体来降低成本。可构造双极性钠离子电池，即将正极和负极材料涂布在同一张铝箔，极片在固体电解质的隔离下可进行周期性堆叠。相同的电极材料组成的对称钠离子电池可以抑制电极材料的巨大体积膨胀，实现更高电压，极大的降低制造成本，增强电极材料的稳定性和安全性。
双极型电池结构的体积优势与成本优势
但同时，钠离子电池也有较为突出的缺点亟待解决，如钠离子半径较大，其在电极材料中进行脱嵌时可能会导致材料的破裂，从而影响电池的整体动力学性能和电极完整性。对比于锂，钠具有更高的标准电极电位，导致钠离子电池的能量密度较低。为解决以上问题，目前的一些研究思路主要有以下几种，如对电极材料的形貌调控、界面工程、价态调节、利用掺杂与包覆的协同效应和复合材料的协同效应等改性手段，很大程度上起到了抑制其不可逆相变，提高钠离子电池能量密度等作用。
钠离子电池正、负极材料体系为决定性因素，电解质主要与正、负极材料体系进行选择匹配使用，因此，正、负极材料直接决定了电池的整体性能。目前，钠离子电池高性能正极材料和负极材料的探索及开发仍是工作重点。
二、钠离子电池正极材料
目前钠离子电池正极材料的主要种类有过渡金属氧化物类（包括层状结构和隧道结构）、聚阴离子化合物类、普鲁士蓝类似物类和有机化合物类。其中初具产业化前景的是层状过渡金属氧化物、聚阴离子类以及普鲁士蓝类似物这三种材料。
1.层状过渡金属氧化物
层状过渡金属氧化物的结构通式一般写成NaxTMO2，在该结构中，过渡金属元素TM结合氧元素形成TMO6八面体，这些八面体通过共棱连接，钠离子处于过渡金属的层与层之间，形成NaO2层，NaO2层和TMO6层上下交替排布。
层状氧化物与锂离子电池三元材料均为一种嵌入或插层型化合物，二者生产工艺类型相同，且产线可以共用，工艺成熟度相对较高。同时，层状氧化物具有比容量高、压实密度高等优势。但由于钠离子半径大，在其脱嵌过程中会造成材料的不可逆相变，进而影响材料的循环寿命。此外，层状氧化物极易与空气中的水和二氧化碳等物质反应，在晶体结构表面形成副产物。
根据钠离子的配位环境和氧的堆积方式，层状氧化物可分为O3、P3、P2、O2等，其中O3型材料和P2性材料的发展前景较好。O3型材料（如NaNiO2、NaFeO2、NaCrO2等）具有更高的钠含量，能量密度更高，但由于钠离子迁移的扩散能垒高，故其循环寿命较差；P2型材料（如Na2/3Ni1/3Mn2/3O2、Na2/3Fe1/2Mn1/2O2等）循环寿命较好、空气稳定性较高，但比容量略低。
O2、O3、P2、P3相过渡金属氧化物的晶体结构示意图
针对层状氧化物脱嵌过程中的相变问题，常采用引入锰铁铜等元素掺杂来获取稳定的晶体结构。国内外电池企业中，镍基层状氧化物、铜铁锰氧化物、铁酸钠基氧化物等方案均有应用。
2.聚阴离子类材料
聚阴离子材料具有稳定的框架结构，使得该类材料具有良好的循环寿命和安全性。但由于大质量的阴离子基团较多，导致材料的导电性和比容量较差。针对其导电性差造成的倍率性能和能量密度表现不优，可通过碳包覆或添加导电剂的方式来实现材料改性。常见的聚阴离子材料有硫酸铁钠、磷酸铁钠、磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、焦磷酸盐等。
典型聚阴离子材料磷酸铁钠结构示意图
3.普鲁士蓝类似物
普鲁士蓝类材料主要优势在于成本低、能量密度较高，不足之处在于导电性和循环寿命较差，且氰化物具有潜在毒性。普鲁士蓝类材料具有开放型三维通道，使得钠离子在隧道中可以快速迁移，因此具有较好的结构稳定性和优异的倍率性能。但由于普鲁士蓝类材料通常是在水溶液中合成的，所以会存在微量的晶格水，这些晶格水在循环过程中可能会脱出，存在短路或与电解液反应腐蚀材料的风险。
铁基普鲁士蓝材料典型形貌
三、钠离子电池负极材料
目前可选用的钠离子电池负极材料材料主要有四类：碳基材料（软碳/硬碳等）、合金类材料、过渡金属化合物和有机化合物。其中合金类材料主要通过合金化反应实现储钠，但在循环过程中会伴随着较大的体积膨胀，进而造成电极材料的粉碎和坍塌；过渡金属化合物比容量偏低，而有机材料也存在库伦效率低等问题。在碳基材料中，相比于石墨等软碳材料而言，硬碳材料无法石墨化。而且硬碳材料的碳层排列规整度低于软碳材料，其层间可以形成较多的微孔以方便钠离子的脱嵌。硬碳材料具备储钠比容量较高、储钠电压较低、循环性能较好等诸多优势，是当前首选的钠离子电池负极材料。
主流钠电池负极材料对比
总结
1.钠离子电池产业化进展，王瑞琦、牟连山、尚永健、彭尚龙（盐湖研究）；
2.钠离子电池中关键材料及技术的发展与前景，宋刘斌、王怡萱、匡尹杰、夏宇博、肖忠良（化工学报）；
3.钠离子电池关键电极材料研究进展，张玉婷、徐天野、王振华、郎笑石、蔡克迪（电子元件与材料）；
4.钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料的研究进展，孙媛媛、李思卿、王成儒、钱昱骁、郑时有、袁涛（稀有金属）。
粉体圈小吉
本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。