钠离子电池先进功能材料的研究进展

doi:10.6023/A16060275

化学学报 ›› 2017, Vol. 75 ›› Issue (2): 154-162.DOI: 10.6023/A16060275 上一篇下一篇

所属专题：先进电池材料；纪念南开大学化学学科创建100周年

综述

钠离子电池先进功能材料的研究进展

向兴德, 卢艳莹, 陈军

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化学化工协同创新中心天津 300071

投稿日期:2016-06-03 修回日期:2016-08-05 发布日期:2016-08-10
通讯作者: 陈军,E-mail:chenabc@nankai.edu.cn E-mail:chenabc@nankai.edu.cn
作者简介:向兴德,男,博士,助理研究员,博士后研究人员,主要从事新型二次电池的构建及其关键材料的电化学性质研究;卢艳莹,女,在读博士生,主要从事储钠先进材料的可控制备与性能研究;陈军,男,博士,长江学者特聘教授,国家杰出青年基金获得者.中国化学会理事,FRSC;南开大学化学学院副院长,先进能源材料化学教育部重点实验室主任.主要从事无机固体功能材料与能源化学相关领域的研究.
基金资助:
项目受先进能源材料化学创新团队滚动支持（IRT13R30）和国家自然科学基金（21421001）资助.

Advance and Prospect of Functional Materials for Sodium Ion Batteries

Xiang Xingde, Lu Yanying, Chen Jun

Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry(Ministry of Education), Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China

Received:2016-06-03 Revised:2016-08-05 Published:2016-08-10
Contact: 10.6023/A16060275 E-mail:chenabc@nankai.edu.cn
Supported by:
Project supported by Innovative Team Project of Ministry of Education (IRT13R30) and the National Natural Science Foundation of China (21421001).

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摘要/Abstract

钠离子电池作为一种新型的化学电源，因钠资源储量丰富、成本低廉等优势，在规模储能领域具有应用前景，近年来受到了人们的广泛关注.为了获得比能量高、循环寿命长和快速充放电能力强的先进钠离子电池，人们正致力于开发比容量高、循环性能好和倍率性能佳的储钠电极材料和离子电导率高、电化学窗口宽的功能电解液，并取得了重要进展.目前，有前景的正极材料主要有高容量的层状氧化物、高电位的氟磷酸盐和长寿命的磷酸盐；可用的负极材料主要包括循环稳定性强的钛基层状氧化物和碳材料、比容量大的金属/非金属单质和低成本的金属化合物；有效的功能电解液有酯类电解液和醚类电解液.本综述详细总结了上述几类电极材料和电解液的最新研究进展，重点介绍了它们的电化学性质、科学难题及解决策略.

关键词: 钠离子电池, 正极材料, 负极材料, 电解液

Sodium ion batteries (SIBs) as a new chemical power source have recently attracted a great attention for large-scale energy storage owing to the abundance and low cost of sodium resources. In order to achieve advanced SIBs with high specific energy, long cycling lifetime and fast charge/discharge ability, efforts have been devoted to developing advanced electrode materials with large specific capacity, robust cycling stability and good rate capability, as well as functional electrolytes with high ion-conductivity and wide electrochemical window. Promising cathode materials include high-capacity layered oxides, high-potential fluorophosphates and long-lifetime phosphates. Available anode materials consist of highly stable Ti-based layered oxides and carbon materials, high-capacity elemental metals/non-metals and low-cost metal-based compounds. Effective electrolytes involve ester-based electrolytes and ether-based electrolytes. This review summarizes the recent advance of electrode materials and electrolytes for SIBs, mainly focusing on their electrochemical properties, existing challenges and resolution strategies.

Key words: sodium ion batteries, cathode materials, anode materials, electrolytes

引用此文

向兴德, 卢艳莹, 陈军. 钠离子电池先进功能材料的研究进展[J]. 化学学报, 2017, 75(2): 154-162.

Xiang Xingde, Lu Yanying, Chen Jun. Advance and Prospect of Functional Materials for Sodium Ion Batteries[J]. Acta Chim. Sinica, 2017, 75(2): 154-162.

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参考文献

[1] Xiang, X. D.; Zhang, K.; Chen, J. Adv. Mater. 2015, 27, 5343.
[2] Yabuuchi, N.; Kubota, K.; Dahbi, M.; Komaba, S. Chem. Rev. 2014, 114, 11636.
[3] Li, H.; Wu, C.; Wu, F.; Bai, Y. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 21. (李慧, 吴川, 吴锋, 白莹, 化学学报, 2014, 72, 21.)
[4] Pan, H. L.; Hu, Y. S.; Chen, L. Q. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2338.
[5] Zhang, K.; Han, X.; Hu, Z.; Zhang, X.; Tao, Z.; Chen, J. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 699.
[6] Gutierrez, A.; Benedek, N. A.; Manthiram, A. Chem. Mater. 2013, 25, 4010.
[7] Han, M. H.; Gonzalo, E.; Singh, G.; Rojo, T. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 81.
[8] Goodenough, J. B.; Kim, Y. Chem. Mater. 2010, 22, 587.
[9] Xu, K. Chem. Rev. 2014, 114, 11503.
[10] Zhang, K.; Hu, Z.; Tao, Z.; Chen, J. Sci. Chin. Mater. 2014, 57, 42.
[11] Ma, X. H.; Chen, H. L.; Ceder, G. J. Electrochem. Soc. 2011, 158, A1307.
[12] Yabuuchi, N.; Yoshida, H.; Komaba, S. Electrochemistry 2012, 80, 716.
[13] Han, M. H.; Gonzalo, E.; Casas-Cabanas, M.; Rojo, T. J. Power Sources 2014, 258, 266.
[14] Vassilaras, P.; Ma, X.; Li, X.; Ceder, G. J. Electrochem. Soc. 2012, 160, A207.
[15] Kubota, K.; Ikeuchi, I.; Nakayama, T.; Takei, C.; Yabuuchi, N.; Shiiba, H.; Nakayama, M.; Komaba, S. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 166.
[16] Zhao, J.; Zhao, L.; Dimov, N.; Okada, S.; Nishida, T. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A3077.
[17] Yuan, D. D.; Liang, X. M.; Wu, L.; Cao, Y.; Ai, X. C.; Feng, J.; Yang, H. Adv. Mater. 2014, 26, 6301.
[18] Sathiya, M.; Hemalatha, K.; Ramesha, K.; Tarascon, J. M.; Prakash, A. S. Chem. Mater. 2012, 24, 1846.
[19] Oh, S. M.; Myung, S. T.; Yoon, C. S.; Lu, J.; Hassoun, J.; Scrosati, B.; Amine, K.; Sun, Y. K. Nano Lett. 2014, 14, 1620.
[20] Sun, X.; Jin, Y.; Zhang, C. Y.; Wen, J. W.; Shao, Y.; Zang, Y.; Chen, C. H. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 17268.
[21] Hwang, J. Y.; Oh, S. M.; Myung, S. T.; Chung, K. Y.; Belharouak, I.; Sun, Y. K. Nat. Commun. 2015, 6, 6865.
[22] Guo, S. H.; Liu, P.; Yu, H. J.; Zhu, Y. B.; Chen, M. W.; Ishida, M.; Zhou, H. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 5894.
[23] Yu, C. Y.; Park, J. S.; Jung, H. G.; Chung, K. Y.; Aurbach, D.; Sun, Y. K.; Myung, S. T. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2019.
[24] Zhan, P.; Wang, S.; Yuan, Y.; Jiao, K. L.; Jiao, S. Q. J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A1028.
[25] Wang, Y.; Liu, J.; Lee, B.; Qiao, R.; Yang, Z.; Xu, S.; Yu, X.; Gu, L.; Hu, Y. S.; Yang, W.; Kang, K.; Li, H.; Yang, X. Q.; Chen, L.; Huang, X. Nat. Commun. 2015, 6, 6401.
[26] Guo, S. H.; Yu, H. J.; Liu, D. Q.; Tian, W.; Liu, X. Z.; Hanada, N.; Ishida, M.; Zhou, H. S. Chem. Commun. 2014, 50, 7998.
[27] Park, Y. U.; Seo, D. H.; Kim, H.; Kim, J.; Lee, S.; Kim, B.; Kang, K. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4603.
[28] Zhao, J. M.; Mu, L. Q.; Qi, Y. R.; Hu, Y. S.; Liu, H. Z.; Dai, S. Chem. Commun. 2015, 51, 7160.
[29] Qi, Y.; Mu, L.; Zhao, J.; Hu, Y. S.; Liu, H.; Dai, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9911.
[30] Shakoor, R. A.; Seo, D. H.; Kim, H.; Park, Y. U.; Kim, J.; Kim, S. W.; Gwon, H.; Lee, S.; Kang, K. J. Mater. Chem. 2012, 22, 20535.
[31] Peng, M. H.; Li, B. A.; Yan, H. J.; Zhang, D. T.; Wang, X. Y.; Xia, D. G.; Guo, G. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6452.
[32] Sharma, N.; Serras, P.; Palomares, V.; Brand, H. E. A.; Alonso, J.; Kubiak, P.; Fdez-Gubieda, M. L.; Rojo, T. Chem. Mater. 2014, 26, 3391.
[33] Serras, P.; Palomares, V.; Rojo, T.; Brand, H. E. A.; Sharma, N. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 7766.
[34] Park, Y. U.; Seo, D. H.; Kwon, H. S.; Kim, B.; Kim, J.; Kim, H.; Kim, I.; Yoo, H. I.; Kang, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13870.
[35] Liu, Q.; Wang, D. X.; Yang, X.; Chen, N.; Wang, C. Z.; Bie, X. F.; Wei, Y. J.; Chen, G.; Du, F. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21478.
[36] Jin, H.; Dong, J.; Uchaker, E.; Zhang, Q.; Zhou, X.; Hou, S.; Li, J.; Cao, G. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 17563.
[37] Xiang, X. D.; Lu, Q. Q.; Han, M.; Chen, J. Chem. Commun. 2016, 52, 3653.
[38] Xu, M. W.; Wang, L.; Zhao, X.; Song, J.; Xie, H.; Lu, Y. H.; Goodenough, J. B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 13032.
[39] Li, C.; Miao, X.; Chu, W.; Wu, P.; Tong, D. G. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 8265.
[40] Kim, J.; Seo, D. H.; Kim, H.; Park, I.; Yoo, J. K.; Jung, S. K.; Park, Y. U.; Goddard, W. A.; Kang, K. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 540.
[41] Oh, S. M.; Myung, S. T.; Hassoun, J.; Scrosati, B.; Sun, Y. K. Electrochem. Commun. 2012, 22, 149.
[42] Jian, Z. L.; Yuan, C. C.; Han, W. Z.; Lu, X.; Gu, L.; Xi, X. K.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, W.; Chen, D. F.; Ikuhara, Y.; Chen, L. Q. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4265.
[43] Jian, Z. L.; Zhao, L.; Pan, H. L.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, W.; Chen, L. Q. Electrochem. Commun. 2012, 14, 86.
[44] Xu, Y.; Wei, Q.; Xu, C.; Li, Q.; An, Q.; Zhang, P.; Sheng, J.; Zhou, L.; Mai, L. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600389.
[45] Li, S.; Dong, Y. F.; Xu, L.; Xu, X.; He, L.; Mai, L. Q. Adv. Mater. 2014, 26, 3545.
[46] Jian, Z.; Han, W.; Lu, X.; Yang, H.; Hu, Y. S.; Zhou, J.; Zhou, Z.; Li, J.; Chen, W.; Chen, D.; Chen, L. Adv. Energy Mater. 2013, 3, 156.
[47] Duan, W.; Zhu, Z.; Li, H.; Hu, Z.; Zhang, K.; Cheng, F.; Chen, J. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 8668.
[48] Zhu, C.; Song, K. P.; van Aken, P. A.; Maier, J.; Yu, Y. Nano Lett. 2014, 14, 2175.
[49] Yang, J.; Han, D. W.; Jo, M. R.; Song, K.; Kim, Y. I.; Chou, S. L.; Liu, H. K.; Kang, Y. M. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 1005.
[50] Wu, D.; Li, X.; Xu, B.; Twu, N.; Liu, L.; Ceder, G. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 195.
[51] Wang, Y.; Yu, X.; Xu, S.; Bai, J.; Xiao, R.; Hu, Y. S.; Li, H.; Yang, X. Q.; Chen, L.; Huang, X. Nat. Commun. 2013, 6. 6401
[52] Yu, H. J.; Ren, Y.; Xiao, D. D.; Guo, S. H.; Zhu, Y. B.; Qian, Y. M.; Gu, L.; Zhou, H. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 8963.
[53] Guo, S. S.; Liu, P.; Sun, Y.; Zhu, K.; Yi, J.; Chen, M. W.; Ishida, M.; Zhou, H. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11701.
[54] Kim, H.; Hong, J.; Yoon, G.; Kim, H.; Park, K. Y.; Park, M. S.; Yoon, W. S.; Kang, K. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2963.
[55] Kim, H.; Hong, J.; Park, Y. U.; Kim, J.; Hwang, I.; Kang, K. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 534.
[56] Jache, B.; Adelhelm, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 10169.
[57] Zhu, Z. Q.; Cheng, F. Y.; Hu, Z.; Niu, Z. Q.; Chen, J. J. Power Sources 2015, 293, 626.
[58] Ponrouch, A.; Goñi, A. R.; Palacín, M. R. Electrochem. Commun. 2013, 27, 85.
[59] Bommier, C.; Luo, W.; Gao, W.-Y.; Greaney, A.; Ma, S.; Ji, X. Carbon 2014, 76, 165.
[60] Zhou, X. S.; Guo, Y. G. ChemElectroChem 2014, 1, 83.
[61] Wen, Y.; He, K.; Zhu, Y. J.; Han, F. D.; Xu, Y. H.; Matsuda, I.; Ishii, Y.; Cumings, J.; Wang, C. S. Nat. Commun. 2014, 5, 4033.
[62] Bommier, C.; Surta, T. W.; Dolgos, M.; Ji, X. L. Nano Lett. 2015, 15, 5888.
[63] Dahbi, M.; Yabuuchi, N.; Kubota, K.; Tokiwa, K.; Komaba, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 15007.
[64] Qian, J. F.; Wu, X. Y.; Cao, Y. L.; Ai, X. P.; Yang, H. X. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 4633.
[65] Liu, Y. C.; Zhang, N.; Jiao, L. F.; Tao, Z. L.; Chen, J. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 214.
[66] Zhang, N.; Liu, Y. C.; Lu, Y. Y.; Han, X. P.; Cheng, F. Y.; Chen, J. Nano Res. 2015, 8, 3384.
[67] Wu, L.; Lu, H. Y.; Xiao, L. F.; Ai, X. P.; Yang, H. X.; Cao, Y. L. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 5708.
[68] Pei, L. K.; Zhao, Q.; Chen, C. C.; Liang, J.; Chen, J. ChemElectroChem 2015, 2, 1652.
[69] Liu, Y.; Zhang, N.; Jiao, L.; Chen, J. Adv. Mater. 2015, 27, 6702.
[70] Lu, Y. Y.; Zhang, N.; Zhao, Q.; Liang, J.; Chen, J. Nanoscale 2015, 7, 2770.
[71] Zhang, N.; Han, X.; Liu, Y.; Hu, X.; Zhao, Q.; Chen, J. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401123.
[72] Liu, Y.; Zhang, N.; Yu, C.; Jiao, L.; Chen, J. Nano Lett. 2016, 16, 3321.
[73] Qu, B. H.; Ma, C. Z.; Ji, G.; Xu, C. H.; Xu, J.; Meng, Y. S.; Wang, T. H.; Lee, J. Y. Adv. Mater. 2014, 26, 3854.
[74] Zhang, Y. D.; Zhu, P. Y.; Huang, L. L.; Xie, J.; Zhang, S. C.; Cao, G. S.; Zhao, X. B. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 481.
[75] Zhu, C.; Mu, X.; van Aken, P. A.; Yu, Y.; Maier, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 2152.
[76] Lu, Y.; Zhao, Q.; Zhang, N.; Lei, K.; Li, F.; Chen, J. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 911.
[77] Yu, D. Y. W.; Prikhodchenko, P. V.; Mason, C. W.; Batabyal, S. K.; Gun, J.; Sladkevich, S.; Medvedev, A. G.; Lev, O. Nat. Commun. 2013, 4, 2922.
[78] Zhang, K.; Hu, Z.; Liu, X.; Tao, Z.; Chen, J. Adv. Mater. 2015, 27, 3305.
[79] Fan, X.; Mao, J.; Zhu, Y.; Luo, C.; Suo, L.; Gao, T.; Han, F.; Liou, S. C.; Wang, C. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500174.
[80] Qian, J.; Xiong, Y.; Cao, Y.; Ai, X.; Yang, H. Nano Lett. 2014, 14, 1865.
[81] Ponrouch, A.; Marchante, E.; Courty, M.; Tarascon, J. M.; Palacín, M. R. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 8572.
[82] Guo, C.; Zhang, K.; Zhao, Q.; Pei, L.; Chen, J. Chem. Commun. 2015, 51, 10244.
[83] Zhang, K.; Guo, C.; Zhao, Q.; Niu, Z.; Chen, J. Adv. Sci. 2015, 2, 1500018.
[84] Hu, Z.; Zhu, Z. Q.; Cheng, F. Y.; Zhang, K.; Wang, J. B.; Chen, C. C.; Chen, J. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1309.

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[1]	贾洋刚, 陈诗洁, 邵霞, 程婕, 林娜, 方道来, 冒爱琴, 李灿华. 高性能无钴化钙钛矿型高熵氧化物负极材料的制备及储锂性能研究[J]. 化学学报, 2023, 81(5): 486-495.
[2]	何家伟, 焦柳, 程雪怡, 陈光海, 吴强, 王喜章, 杨立军, 胡征. 金属有机框架衍生的空心碳纳米笼的结构调控与锂硫电池性能研究[J]. 化学学报, 2022, 80(7): 896-902.
[3]	毕文超, 张琳锋, 陈健, 田瑞雪, 黄昊, 姚曼. 单斜ZnP₂负极材料的锂化机理及性能[J]. 化学学报, 2022, 80(6): 756-764.
[4]	黄擎, 丁瑞, 陈来, 卢赟, 石奇, 张其雨, 聂启军, 苏岳锋, 吴锋. Na₂PO₃F对LiNi_0.83Co_0.11Mn_0.06O₂材料的复合改性及机理分析[J]. 化学学报, 2022, 80(2): 150-158.
[5]	薛晓兰, 张洋, 石美瑜, 李天琳, 黄天龙, 戚继球, 委福祥, 隋艳伟, 金钟. 有机电极材料在非水系金属镁二次电池中的研究进展[J]. 化学学报, 2022, 80(12): 1618-1628.
[6]	邱凯, 严铭霞, 赵守旺, 安胜利, 王玮, 贾桂霄. Al掺杂的锂离子电池层状正极材料Li(Li_0.17Ni_0.17Al_0.04Fe_0.13Mn_0.49)O₂结构稳定性及氧离子氧化的理论研究[J]. 化学学报, 2021, 79(9): 1146-1153.
[7]	林碧霞, 黄颖珊, 陈帅, 邢震宇. 钠硒电池关键材料的研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(5): 641-648.
[8]	李宛飞, 李鑫, 范海燕, 肖建华, 刘倩倩, 程淼, 胡敬, 魏涛, 吴正颖, 凌云, 刘波, 张跃钢. 非亲核镁硫电池电解液的研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(5): 628-640.
[9]	李童心, 李东林, 张清波, 高建行, 孔祥泽, 樊小勇, 苟蕾. 大孔高镍LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料的制备及其电化学性能研究[J]. 化学学报, 2021, 79(5): 678-684.
[10]	马慧, 张桓荣, 薛面起. 水系钠离子电池的研究进展及实用化挑战[J]. 化学学报, 2021, 79(4): 388-405.
[11]	张璐, 王文凤, 张洪明, 韩树民, 王利民. 水系锌离子电池研究进展和挑战[J]. 化学学报, 2021, 79(2): 158-175.
[12]	李燕丽, 于丹丹, 林森, 孙东飞, 雷自强. α-MnO₂纳米棒/多孔碳正极材料的制备及水系锌离子电池性能研究[J]. 化学学报, 2021, 79(2): 200-207.
[13]	梁其梅, 郭昱娇, 郭俊明, 向明武, 刘晓芳, 白玮, 宁平. 亚微米去顶角八面体LiNi_0.08Mn_1.92O₄正极材料制备及高温电化学性能[J]. 化学学报, 2021, 79(12): 1526-1533.
[14]	董瑞琪, 吴锋, 白莹, 吴川. 钠离子电池硬碳负极储钠机理及优化策略[J]. 化学学报, 2021, 79(12): 1461-1476.
[15]	谢佶晟, 肖竹梅, 左文华, 杨勇. 钠离子电池钴酸钠正极材料研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(10): 1232-1243.