钠离子电池基础与应用

伊廷锋，山东临沂人，东北大学教授(三级)、博士生导师，主要研究方向为新能源材料及其 性原理计算。先后人选安徽省教坛新秀、安徽省技术领军人才、江苏省双创人才、河北省333人才工程第二层次人选、河北省普通本科院校教学名师、河北省师德标兵、2019年度科睿唯安(Clarivate Analytics)材料科学(Materials Science)领域和交叉领域(Cross Field) Top 1%审稿人”、“ World s Top 2% Scientists 2022”、全球 尖前10万名科学家，获第十四届河北省青年科技奖。担任《物理化学学报》编委，《 稀有金属材料与工程》青年编委。主持或主持完成国家自然科学基金项目5项，省部级项目6项，企业产学研项目6项。近年来，在Advanced Functional Material、Applied Catalysis B: Environ-mental、Nano Energy、Science Bulletin、Nano Today、Energy Storage Materials等国际期刊上发表 /通讯作者SCI收录论文200余篇 ，被引用9300余次，H因子48，23篇论文人选ESI高引论文，6篇论文入选BSI热点论文，授权排名 发明专 利14项。作为主编编写的 <锂离子电池电 材料》一书人选“十三五”国家重点出版物出版规划项目，获2020年度化学工业出版社 图书奖。

第1章钠离子电池概述

1.1钠离子电池概述

1.1.1钠离子电池的发展简史

1.1.2钠离子电池的组成及原理

1.1.3钠离子电池的优缺点

1.2钠离子电池电极材料的表征与测试方法

1.2.1物理表征方法

1.2.2电化学表征方法

1.2.3电极材料活化能的计算

1.3原位表征技术

参考文献

第2章碳基负极材料

2.1石墨类碳材料

2.2无定形碳材料

2.2.1硬碳

2.2.2软碳

2.3其他类碳材料参考文献

第3章钛基负极材料及转化反应机制负极材料

3.1 NayTiOy类材料

3. 1. 1 Na2 Ti3O7

3. 1. 2 Na2 Ti6 O12

3.2 LiTiOy类材料

3.3Ti基磷酸盐材料

3.4其他钛基材料

3.5转化反应型负极材料

3.5.1反应机理

3.5.2过渡金属金属氧化物

3.5.3金属硫化物

3.5.4金属硒化物

参考文献

第4章合金化反应机制负极材料及其他负极材料

4.1合金化反应机制负极材料

4.1.1 P

4.1.2 Bi

4.1.3 Sn

4.1. 4 Sb

4.2其他负极材料

4.3有机类材料

4.3.1羰基（C=○）化合物

4.3.2亚胺（C=N）

4.3.3偶氮（N=N）衍生物

4.3.4其他有机负极材料

参考文献

第5章层状氧化物正极材料

5.1P2型过渡金属氧化物

5.203型氧化物

5.3双相层状氧化物

5.4隧道型氧化物

参考文献

……

11.1.2钠离子的脱嵌及氧缺陷对Na2MO3材料的结构

稳定性的影响

11.1.3钠离子电池材料的力学稳定性及晶格动力学

稳定性

11.2钠离子电池材料的电化学性能的理论预测

11. 2. 1钠离子电池电极材料的储钠机制及其嵌钠电位的理论预测

11.2.2钠离子电池材料的钠离子扩散动力学的理论研究

11.2.3钠离子电池材料的电子结构及其氧化还原机制

11.3新型钠离子电池材料的高通量筛选与结构设计

参考文献

第1章钠离子电池概述

煤、石油、天然气是重要的自然资源，也是我们赖以生存的主要能源。开发和利用这些传统化石能源不可避免地会带来环境污染问题和能源危机问题。相比于传统能源，太阳能、风能、潮汐能、生物质能、地热能等新型能源具有环境污染少、大多数可再生、资源丰富等优点。开发利用这些新型能源，不仅是缓解当今世界环境污染问题和能源枯竭问题的重要手段，对于解决由能源危机引发的各种问题也具有重要的战略意义。但是，这些新型的可再生能源基本上都具有间歇性、随机性等特点。要开发和利用这些新型能源，需要发展大规模储能技术。

根据储能过程中能量存在的形式，通常把储能技术主要分为物理储能和电化学储能。物理储能是通过物理变化来储能，包括重力储能、动能储能、超导储能等。电化学储能由可充电电池储能、氢储能、化合物储能等组成，是利用电化学反应的可逆性通过电能和化学能的相互转化来实现储能。在已开发的储能技术中，可充电电池由于其较高的存储能量和转化效率，以及便捷灵活性而备受关注。锂离子电池因其具有安全无污染、循环寿命长、能量密度高等优点，在3C类电子产品、电动汽车和大规模储能领域得到了较为广泛的应用，极大提高了人类的生产生活水平。但由于锂离子电池需求的快速增长与锂资源短缺、成本升高之间的矛盾，促使人们不断寻找和研发新的可充电电池。与锂元素处于同一主族的钠元素与其具有相似的物理化学性质，且钠价格低廉、资源丰富(地壳中的含量约为2.64%），因此钠离子电池被科学家们认为是最有潜力替代锂离子电池的新型储能体系之一[1]。

1.1钠离子电池概述

1.1.1钠离子电池的发展简史

关于钠离子电池的研究最早可以追溯到20世纪80年代，寻找合适的钠离子电池电极材料是其实现规模应用的前提。与锂离子电池相比较，它的发展非常缓慢，主要有以下几点原因：第一，钠具有较大的离子半径（Na+：1.02A0，Li+：0.76A)，驱动Na+运动就需要更高的能量，这曾是钠离子电池技术中难以突破的瓶颈。以碳为驱动介质作为突破口，可以释放钠离子电池的能效至锂离子电池的7倍，而且循环性能也更好；第二，钠的标准电极电势较低(2.71Vvs.Na+/Na，3.04Vvs.Li+/Li)，因此在能量密度方面，钠离子电池通常逊于锂离子电池；第三，对于钠离子电池电极材料的选择，当时研究者只是简单地将锂离子电池中的适用材料进行套用，忽略了钠离子电池对材料晶格结构等方面的独特需求，所以导致大部分尝试以失败结尾；最后不可忽视的一点是实验室的研究与产业化的需求并不匹配[2]，前者主要是对不同的正负极材料和电解质进行不同搭配，从而获得高比容、高倍率的电池性能，但对于后者，核心问题在于电池的循环性能，即充放电次数是否能满足实际需求。

1.1.2钠离子电池的组成及原理

钠离子电池主要构成部分为正极、负极、电解液、隔膜、集流体等。其工作原理与锂离子电池类似，都为“摇椅式”，即Na+在正负极材料之间进行可逆的

嵌入和脱出来实现电荷转移[3]。当电池开始放电时，Na+先从负极材料中脱出，然后再经电解液进入正极材料内部。此时，外电路会有电子从负极流向正极，从而保证整个电池系统的电荷数量平衡。当电池开始充电时，Na+从正极材料中脱出，然后再经电解液进入负极材料内部。此时，外电路会有电子从正极流入负极。在正负极的氧化还原反应都理想的情况下，Na+在正负极材料中的脱嵌并不影响材料的结构或组分，同时也不会与电解液发生副反应。电池系统的可逆性保证钠离子电池持续稳定地循环使用。但实际上，Na+很难在自由脱嵌过程中不引起材料的任何变化或者电解液的分解，这就使得电池系统的循环稳定性变差。从工作原理方面考虑，设计或优化电池的重心变成如何获得稳定的电极材料结构、最优的材料组成以及调配合适的电解液，这也是最终影响电池容量高低、循环性能、倍率性能的关键因素。以铁酸钠/硬碳电池为例，其工作原理如图1.1所示[4]

钠离子电池作为锂离子电池的低价替代品，受到广泛关注，并在相关领域展现出足够的竞争优势。钠离子电池的性能主要取决于电极材料的结构与性能，故而本书在全面介绍钠离子电池各部分的基础上，着重对钠离子电池的正极材料和负极材料进行了介绍，阐述了相关材料结构和组成对于其电化学性能的影响，并结合相关的表征手段，对相关的半电池和全电池的性能进行了分析和比较。