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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (1): 211-241    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201610111
综述     
钠离子电池正极材料研究进展
方永进1,陈重学2,艾新平1,杨汉西1,曹余良1,*()
1 武汉大学化学与分子科学学院,武汉430072
2 武汉大学动力与机械学院,武汉430072
Recent Developments in Cathode Materials for Na Ion Batteries
Yong-Jin FANG1,Zhong-Xue CHEN2,Xin-Ping AI1,Han-Xi YANG1,Yu-Liang CAO1,*()
1 College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China
2 School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China
 全文: PDF(4164 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

近年来,钠离子电池由于资源丰富、价格低廉等特点,逐渐成为储能领域的研究热点。然而,钠离子具有较大的离子半径和较慢的动力学速率,成为制约储钠材料发展的主要因素,而发展高性能的嵌钠正极材料是提高钠离子电池比能量和推进其应用的关键。本文详细综述了目前钠离子电池研究的正极材料体系,包括过渡金属氧化物、聚阴离子类材料、普鲁士蓝类化合物、有机分子和聚合物、非晶材料等,并结合这几年我们课题组在正极方面的研究工作,探讨了材料的结构和电化学性能的关系,分析了提高正极材料可逆容量、电压、结构稳定性的可能途径,为钠离子电池电极材料的发展提供参考。

关键词: 钠离子电池正极材料研究进展储钠反应电化学反应机理    
Abstract:

Sodium ion batteries (SIBs) have attracted increasing attention for energy storage systems because of abundant and low cost sodium resources. However, the large ionic radius of sodium and its slow electrochemical kinetics are the main obstacles for the development of suitable electrodes for high-performance SIBs. The development of high-performance cathode materials is the key to improving the energy density of SIBs and facilitating their commercialization. Herein, we review the latest advances and progress of cathode materials for SIBs, including transition metal oxides, polyanions, ferrocyanides, organic materials and polymers, and amorphous materials. Additionally, we have summarized our previous works in this area, explore the relationship between structure and electrochemical performance, and discuss effective ways to improve the reversibility, working potential and structural stability of these cathode materials.

Key words: Sodium ion battery    Cathode material    Development    Sodium storage reaction    Electrochemical reaction mechanism
收稿日期: 2016-08-09 出版日期: 2016-10-11
中图分类号:  O647  
基金资助: 国家重点研发计划(2016YFB0901501);国家自然科学基金(21373155);国家自然科学基金(21333007);国家自然科学基金(21273090)
通讯作者: 曹余良     E-mail: ylcao@whu.edu.cn
作者简介: 方永进, 2011年本科毕业于湖北大学化学工程与工艺专业, 2016年博士毕业于武汉大学物理化学专业。主要研究方向为新型钠离子电池电极材料|陈重学, 2006年、2011年分别获武汉大学理学硕士、博士学位。现任武汉大学动力与机械学院讲师。主要研究方向为锂/钠离子电池电极材料、能源存储与转化|艾新平,现为武汉大学化学与分子科学学院教授、博士生导师、国家863节能与新能源汽车重大专项立项评审与监理专家。主要研究领域为电化学能源材料及技术,如锂硫电池、硅负极材料等|杨汉西,现为武汉大学化学与分子科学学院教授,博士生导师,从事电化学能源转换领域新材料、新技术和新体系的应用基础研究,在锂/钠离子电池等化学电源方面有重要影响|曹余良, 2003年获得武汉大学博士学位, 2009-2011年,美国西北太平洋国家实验室访问学者。现为武汉大学化学与分子科学学院教授、博士生导师、教育部新世纪优秀人才。主要研究领域为钠离子电池电极材料和电解液相关研究
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方永进
陈重学
艾新平
杨汉西
曹余良

引用本文:

方永进,陈重学,艾新平,杨汉西,曹余良. 钠离子电池正极材料研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 211-241.

Yong-Jin FANG,Zhong-Xue CHEN,Xin-Ping AI,Han-Xi YANG,Yu-Liang CAO. Recent Developments in Cathode Materials for Na Ion Batteries. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(1): 211-241.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201610111        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I1/211

图1  钠离子电池反应原理图
图2  钠离子电池正极材料实际容量与电压图
图3  隧道、O3、P3、O2、P2相过渡金属氧化物的晶体结构示意图
图4  Na0.44MnO2纳米线的电化学性能13
图5  不同结构NaxMnO2的充放电曲线7
图6  Na0.67[Mn0.65Ni0.15Co0.2]O2和Na0.67[Mn0.65Ni0.15Co0.15Al0.05]O2材料的电化学性能24
图7  NaFeO2在不同截止电压下的电化学性能29
图8  P2-Na0.67Mn0.65Fe0.35O2和P2-Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2样品的电化学性能33
图9  NaFeO2、NaFe0.5Ni0.5O2、NaFe0.3Ni0.7O2样品的充放电曲线36
图10  O′3-NaNiO2的充放电曲线和结构演化40
图11  O3-NaNi0.5Mn0.5O2和P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2充放电曲线41
图12  (a) O3-NaNi0.5Mn0.5O2和(b) O3-NaFe0.2(Ni0.5Mn0.5)0.8O2充放电曲线42
图13  Na1-xLixNi0.5Mn0.5O2+σ随x的变化的XRD图49(b)
图14  Na3Ni2SbO6的电化学性能50
图15  P2-NaxCoO2的充放电曲线和现场XRD53
图16  (a) NaCrO2的充放电曲线、(b) NaCrO2的循环性能和(c)现场XRD59, 62(a)
图17  NaVO2和Na0.7VO2的充放电曲线和对应的微分曲线66
图18  NaFePO4的结构和电化学性能72(a)
图19  水溶液电化学法合成NaFePO4和对应的NaFePO4的电化学性能75
图20  Na3V2(PO4)3的结构示意图
图21  Na3V2(PO4)3电化学性能83
图22  Na2FeP2O7的晶体结构图(a)以及Na2FeP2O7 (b)和Na2MnP2O7 (c)的充放电曲线[88, 91(a)]
图23  Na2Fe2(SO4)3的晶体结构图和充放电曲线96
图24  Na2FePO4F的电化学性能105(a)
图25  Na3V2(PO4)2F3和Na3V2O2x(PO4)2F3-2x的充放电曲线[109b, 110]
图26  几类Na4M3(P2O7)4(PO4)的充放电曲线[118, 119, 122(b)]
图27  两类Na3MPO4CO3的充放电曲线124, 125
图28  普鲁士蓝结构图和充放电曲线126, 133
图29  Na2-δMnFe (CN)6的结构和充放电曲线135
图30  Na2CoFe (CN)6的电化学性能141
图31  以Na4DHTPA为正负极的全有机电池的电化学性能150
图32  几类聚合物的充放电曲线151, 152, 154
图33  非晶介孔FePO4的电化学性能164
MaterialAverage potential/V (vs Na/Na+)Reversible capacity/(mAh·g-1)Energy density/(Wh·kg-1)
Na0.44MnO22.8128358
Na (Ni0.5Mn0.5)xFe1-xO22.9130377
Na0.9Cu0.22Fe0.3Mn0.48O23.2100320
Na3V2(PO4)33.3115380
Na3V2(PO4)2F33.8130494
Na2Fe2(SO4)33.8102388
Na2FeFe (CN)63.2155496
Na2MnFe (CN)63.4150510
表1  几种钠离子电池正极材料电化学性能比较
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