取代锂离子电池？钠离子电池的研究现状及正负极材料简析

当今社会，能源问题已经成为限制社会发展和进步的最大的问题。传统化石能源诸如煤、石油、天然气等日益减少，而新型可再生能源虽然关注度很高，但是仍旧难堪大用。因此，在能源高效利用上下功夫才是目前解决能源、环境问题最根本的方案。现阶段，最高效的二次电池是锂离子电池，已经广泛应用于各种电子器件、交通、航天等各个领域。但是，随着能源利用量的增加，锂元素原本就不多的储量及其高昂的价格就显得尤为尴尬。而钠元素与锂元素物理化学性质类似，本身就具有相类似的储能效果，而且钠元素在地壳中含量丰富，价格相对金属锂低了很多，因此比锂离子电池更具有发展前景。

钠离子电池正极材料

1.聚阴离子型正极材料

聚阴离子型正极材料最早研究是应用于锂离子电池正极，之后被借鉴应用于钠离子电池。此类材料的研究比较早，主要代表材料有NaMnPO4、NaFePO4等一类橄榄石型晶体。这种电极材料作为钠离子电池正极具有不错的倍率性能和循环稳定性。

2.二维层状过渡金属化合物

二维材料的兴起是在石墨烯的发现之后，石墨烯材料的发现第一次向人类展示了二维结构也可以作为晶体稳定存在。在此之后相应的二维材料也不断地被开发出来。其中二硫化钼、过渡金属双金属氢氧化物、过渡金属硫化物等一系列过渡金属二维材料逐渐被合成并应用于钠离子电池正极，取得了不错的效果。目前应用与钠离子电池的二维材料主要是钠基层状NaxMO4(M=Co、Mn、V、Fe等)。由于电化学活性高，易于电解液离子的脱欠和吸附，因此表现出极佳的电化学储钠效果。因此，二维钠基层状NaxMO4一度成为钠离子电池正极电极材料的研究热点。其中，作为锂离子电池正极的层状NaV6O15由于在锂离子电池中的出色电化学储能性能，被应用于钠离子电池正极。

3.过渡金属磷酸盐

过渡金属磷酸盐也是被应用在锂离子电池中的一种正极材料，晶体结构较多，合成工艺较成熟。因此，水热法合成成为一种新型的合成磷酸铁钠的新路子。磷酸盐作为一种三维结构，搭建起来的一种框架结构极为有利于钠离子的脱嵌和嵌入，进而得到储能性能优异的钠离子电池。

4空心或核壳纳米材料

空心或者核壳结构是近年来才兴起的新型钠离子电池正极材料，这种材料在原有材料的基础上，通过精妙的结构设计实现空心或者多孔的结构。比较常见的有空心硒化钴纳米立方、Fe-N共参杂核壳钒酸钠纳米球、多孔碳空心氧化锡纳米球等一系列空心结构。结合材料本身的优异特性，再加上独特的空心、多孔结构，使得更多的电化学活性位点暴漏在电解液当中，同时还会极大的促进电解液的离子迁移率，实现高效储能。这种核壳结构通常是通过模版法或者自牺牲模版法实现的。

钠离子电池负极材料

1硬碳

碳作为自然界储量极其丰富的一种元素，廉价易得，作为钠离子电池负极材料获得了诸多的认可。按照石墨化程度，碳材料可以分为石墨类碳和无定型碳两大类。其中，归属于无定形碳中的硬碳表现出了高达300mAh/g的储钠比容量，而石墨化程度较高的碳材料由于比表面积较大，有序性较强使得库伦效率极低，难以满足商业应用。因此在实际研究中以非石墨类硬碳材料为主。为了进一步提升钠离子电池负极材料的性能，通过离子掺杂或者复合的方法对碳材料的亲水性、导电性等进行改善，可以增强碳材料的储能性能。

2金属化合物

金属化合物作为钠离子电池负极主要是以二维金属碳化物、氮化物为主。这些材料作为二维材料，除了具备二维材料的优异特性以外，不仅可以通过吸附、插层的方式储存钠离子，有些材料还可以与钠离子结合，通过化学反应产生的赝电容进行储能，进而极大的提升储能效果。但是受限于成本太高而且相比较碳材料难以获得，同时碳材料作为钠离子电池负极本身性能已经足够，因此目前钠离子电池负极材料仍然以碳材料为主。