层状钠离子电池正极的进展_王春忠解释.pdf

书2015 年 2 月 吉林师范大学学报( 自然科学版) №． 1 第 1 期 Journal of Jilin Normal University ( Natural Science Edition) Feb． 2015 收稿日期: 2014-11-10 基 金 项 目: 国 家 基 础 科 学 人 才 培 养 基 金 项 目 ( J1103202 ) ; 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 项 目 ( 20110061130006) 第一作者简介: 王春忠( 1965-) ，男，吉林省长春市人，现为吉林大学物理学院教授，博士，博士生导师． 研究方向: 新型锂离子电池材料和器 件的基础与应用研究． 层状钠离子电池正极材料的研究进展 王春忠，李玛琳，杜 菲，魏英进，陈 岗 ( 吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012) 摘 要: 钠离子电池作为一种新型电化学能源已经受到了广泛关注． 其工作原理与锂离子电池相类似，钠元素 的储量比锂元素更为丰富、成本更加低廉，因此在大规模电能存储中有着广阔的应用前景． 近年来，针对钠离子 电池电极材料的研究日益增多，其中关于正极材料的研究主要集中于聚阴离子以及层状过渡金属氧化物材料两 大类． 层状过渡金属氧化物因其导电性好，并且层状结构更加稳定而成为人们研究的热点． 本文针对层状过渡金 属氧化物正极材料的结构以及电化学性能进行综述，总结并分析层状材料作为钠离子电池正极材料的可行性以 及目前面临的问题，为今后钠离子电池层状正极材料的研究与应用提供理论指导． 关键词: 钠离子电池; 正极材料; 层状氧化物 中图分类号: O469 文献标识码: A 文章编号: 1674-3873-( 2015) 01-0001-10 0 引言 随着能源匮乏与环境污染等问题的日趋严重，开发清洁可持续的新型能源成为了全世界科学家关注 的重点． 作为一种绿色、环保、可再生的新型能源，锂离子电池以其容量高，能量密度大等优点引起了人们 的广泛关注和研究． 自 1991 年 Sony 公司首次将锂离子电池商业化以来，体积小、轻便的锂离子电池已然 应用到人们生活的方方面面，例如移动电话、MP3、便携式电脑等小型电子产品［1-3］． 于此同时，锂离子电池 在如电动汽车、航空航天等需要大规模电能存储设备的产业中也扮演着重要的角色． 然而由于锂元素的储 量有限，锂离子电池电极材料原料的价格也在不断攀升［4］，这将大大制约其在大型储能设备中的应用． 与 锂元素同属第一主族的钠元素在物理与化学性质上与锂元素有很多相似之处，且在地壳中的储量十分丰 富( 地壳元素丰度第四) ，其价格要远低于含锂矿物质原料，因此钠离子电池可作为锂离子电池的替代品 应用于大规模电能储存设备中［4-5］． 钠离子电池与锂离子电池的工作原理基本相同，都是通过碱金属离子在电极材料之间的插入脱出来 实现化学能与电能的相互转化［5］． 然而，由于钠离子的半径较大( 1． 02 ，比锂离子大 0． 3 ) ，因而要选择 可为钠离子提供足够大的插入脱出通道或间隙位置的材料作为钠离子电池电极材料． 另外，由于钠的一系 列固有热力学性质导致其电极电位( E 0 ( Na /Na + ) = － 2． 71 V) 比锂离子高约 300 mV，这将在一定程度上 影响钠离子电池的能量密度． 关于钠离子电池电极材料的研究始于 20 世纪 70 年代至 80 年代，但由于同 期发现的锂离子电池具有更高的能量密度，人们研究的重心更多的侧重于锂离子电池电极材料［3，6-8］． 虽 然在便携式移动设备上，钠离子电池和锂离子电池相比并没有较大的竞争力，但在对能量密度的要求相对 较低的大规模储能应用上，日臻成熟的钠离子电池必将成为未来能源存储转换系统的研究热点． 目前，针对钠离子电池的研究还有许多空白亟待填补，而电极材料对钠离子电池的电化学性能起到决 定性的作用． 其中，寻找具有比容量高、工作电压高、结构稳定、体积变化小、安全性好的正极材料是重中之 重． 如前所述，由于钠离子电池和锂离子电池体系的相似性质，在寻找新型钠离子电池电极材料时可以从 一些在锂离子电池体系中具有优良电化学性能和结构稳定性的材料入手，将一些成熟的锂离子电池电极 材料体系引入钠离子电池体系，从而得到适合钠离子电池体系的电极材料． 钠离子电池正极材料按晶体结 构主要可分为层状材料和聚阴离子材料( 如图 1 所示) 两种． 其中，层状材料因其电子导电率较好，层状结 ·1· 构稳定等优点备受人们关注． 由于钠离子半径稍大于锂离子半径，因此钠离子在同种结构材料中的扩散要 稍慢于锂离子，这就限制了同种材料应用于钠离子电池时的输出功率． 然而，在碱金属钴氧化物层状材料 中钠离子的扩散势要低于锂离子，这在一定程度