材料人荐读|近十年钠电领域的重大突破
钠离子电池（Sodium ion battery）同锂离子电池的工作原理相似，都是利用离子在正极和负极之间的移动进行充放电。因为钠离子的体积是锂离子的两倍，所以最初在使用过程中无法实现钠离子的充放电，但是钠离子电池低廉的成本、可快速充放电的性能让研究人员无法忽视这一方向。近年来，随着钠离子电池领域的不断研发，现在不仅实现了钠离子电池的重复充放电也为实用化提供了方向。
在本期内容中，我们将为大家推荐几篇材料科学领域内钠离子电池方向的ESI高被引文章，并按被引频次挑选其中10篇对文章内容及其通讯作者加以介绍，旨在为读者了解钠离子电池高质量文献以及这一领域的研究团队提供便利。下面让我们来看一下钠离子电池领域近十年取得的成就，看钠离子电池是如何一步一步成为化学电源的新宠的！
1、钠离子电池（通讯作者：Christopher S. Johnson 被引频次：918）[1]
杂志来源：ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS DOI: 10.1002/adfm.201200691
通讯作者简介：Christopher S. Johnson，美国阿贡国家实验室化学家和项目负责人，专业从事电池材料的研究与开发，对电池系统有20多年的研究经验。他毕业于北卡罗来纳大学教堂山分校（本科化学）并于1992年在西北大学获得博士学位。他一直活跃在锂和钠电池材料领域，出版发行了约80个出版物和8项专利。他感兴趣的研究领域是电池的运输和电网存储。
图1 不同钠离子与锂离子电池系统的能量对比
该文献主要围绕钠离子电池展开，主要讨论了以层状过渡金属氧化物作为钠阳离子载体的阴极材料、对应的阴极材料、能量密度及其电解液。文献中讨论了近期发表的相关钠电材料的性能，并重新审视了先前的钠电材料，介绍了作者所在实验室的最新成果。
文献下载链接：Sodium-Ion Batteries
2、钠离子电池成为低成本储能系统的最新进展和面临的挑战（通讯作者：Teofilo Rojo 被引频次：914）[2]
杂志来源：ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE DOI: 10.1039/c2ee02781j
通讯作者简介：Teofilo Rojo于1981年在巴斯克自治区大学获得博士学位。他在欧洲和美国的几个大学里都进行过研究学习。他的研究主要集中在固态化学和材料科学。自2010以来，一直担任CIC-Energigune的科学主任，他的研究重点是为掺锂和不掺锂电池的材料。他在西班牙各科学机构担任不同职务，在过去十年内担任西班牙皇家学会固体化学小组主席。
图2 Na1.5VOPO4F0.5结构图
图3 Na/P(EO) 8NaCF3SO3/C电池加热到86℃的充放电曲线
研究人员主要研究了几种不同的嵌钠电极材料：氧化物、氟磷酸盐和磷酸盐。实验数据表明，由于氧化物嵌入-脱嵌比较复杂，所以氧化物的效果并不理想。然而，磷酸盐和氟磷酸盐却表现出了优异的稳定性，因为较大的工作电位引发了磷酸盐阴离子诱导效应。
文献下载链接：Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems
3、可充电钠离子电池电极材料：当前锂离子电池的潜在替代品（通讯作者：Gerbrand Ceder，Kisuk Kang 被引频次：837）[3]
杂志来源：ADVANCED ENERGY MATERIALS DOI: 10.1002/aenm.201200026
通讯作者简介：Kisuk Kan于国立首尔大学获得学士学位，现任国立首尔大学材料科学与工程系教授。他在麻省理工学院研读博士学位时研究的是关于锂电池电极材料的设计。他加入SNU之前，是韩国科学技术院教授。他在SNU重点研究锂离子电池或锂前（如钠、镁）电池和金属空气电池。Gerbrand Ceder，麻省理工学院材料科学与工程系教授。他的研究兴趣在于设计新的能源产生和储存材料。他在锂电池领域工作了16多年，优化了几种新型电极材料，发表了超过285篇科技论文。Ceder博士创立了材料基因组项目，他最新的科学成果，是开发了超快速充电材料。
图4 碳的微观结构图和不同碳复合物在钠电池中的容量曲线图
该文献中人员简要回顾了一些已经对钠电进行过测试的钠离子电池正负极材料。尽管电压较低，但是和锂化合物相比，钠的嵌入和脱嵌对钠电极造成的容量改变产生的影响更大。对于阳极材料，研究人员对碳质和非碳质材料分别进了行研究。分别讨论了氧化物、聚阴离子化合物，和其他化合物等阴极材料。
4、大型电能储存用室温钠离子电池（通讯作者：胡勇胜 被引频次：660）[4]
杂志来源：ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE DOI: 10.1039/c3ee40847g
通讯作者简介：胡勇胜，2001年在武汉理工大学材料学院获硕士学位，2004年中科院物理研究所获博士学位。曾先后到德国Max-Planck固体研究所做博士后和研究员（2004-2007），美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究（2007-2008）。2008年入选中科院“百人计划”，现为中科院物理研究所研究员，博士生导师，在E01组工作。
图5 钠电池可用电极材料的结构图
在这篇综述中，研究人员主要关注了以下方面（1）现有的阴极和阳极材料（无机和有机）；（2）钠离子电池的有机液体和固体电解质；（3）Na存储机制与Li存储机制；（4）目前的高吞吐量的计算（5）水系钠离子电池系统。目前可用的大多数钠电极材料是来自他们的锂类似物。研究人员对许多锂离子电池的电极材料也进行了钠存储测试，以探索合适的钠离子电池电极。
文献下载链接：Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage
5、嵌钠和固体电解质界面在硬碳及钠离子电池中的应用（通讯作者：Shinichi Komaba 被引频次：590）[5]
杂志来源：ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS DOI: 10.1002/adfm.201100854
通讯作者简介：Shinichi Komaba，东京科技大学应用化学系教授，日本京都大学项目教授。于1998获日本早稻田大学工程学博士学位，其后于1998至2005年间在日本岩手大学当研究助理。从2003到2004，他法国担任博士后研究员。于2005加入东京科技大学当教员。他以作者或合著者身份出版了约160份出版物。他目前的研究主要集中在材料科学和电化学设备的电化学研究（可充电锂和钠离子电池，电容器，传感器和生物燃料电池）。
图6 硬碳电极第一次恒流循环后a）钠和b）锂的飞行时间二次离子质谱
在这项研究中，研究人员实现了硬碳大容量嵌钠性能和层状NaNi0.5Mn0.5O2电极，制备了硬质碳/ NaNi0.5Mn0.5O2电池。主要从硬碳的结构变化、钝化和界面结构对嵌钠进行了分析。实验结果表明该电池循环性能稳定，有望替代二次锂离子电池。
6、钠离子电池的研究进展（通讯作者：Shinichi Komaba 被引频次：554）[6]
杂志来源：CHEMICAL REVIEWS DOI: 10.1021/cr500192f
通讯作者简介：同5，在此不再赘述。
图7 几种不同结构的层状NaxMeO2充放电曲线比较
该综述主要回顾了最近在钠电上的研究进展。在过去的几年中，很多研究小组已经发现许多不同的嵌钠材料。关于钠电的出版物数量在2010年后大幅增加。负极材料在过去的几年中也有新的发现。最重要的区别是Li和Na在非质子极性溶剂中的化学变化。例如，在这两个系统的表面钝化过程是明显不同的。更好的电解质和适当的钠系统的设计对于实现钠电长循环寿命是非常重要的。
文献下载链接：Research Development on Sodium-Ion Batteries
7、钠和钠离子储能电池（通讯作者：Linda F. Nazar 被引频次：461）[7]
杂志来源：CURRENT OPINION IN SOLID STATE & MATERIALS SCIENCE DOI: 10.1016/j.cossms.2012.04.002
通讯作者简介：琳达·纳萨尔（Linda F. Nazar）加拿大滑铁卢大学化学、电子及计算机工程教授，是一位世界电池领域的女杰出科学家，主要研究储能材料和固态电化学。学术成果：200篇（项/部）的研究成果累计被引超过1.45万次，2009年以来被引约1.1万次；H指数61，2009年以来的H指数达到50。入选2014年汤森路透的高引作者，2009年曾经获得国际电化学会电池部研究奖，2010年获得加州研究所摩尔杰出学者奖，2011年获国际锂电池学会奖，2011年获国际纯粹化学会化学工程杰出女性科学家奖。2011年被评为加拿大皇家学会会员。
图8 Na0.7O2的电流循环及循环中发生的相变
在简短的介绍了Na-S、钠/氯化镍和新型Na–O2电池系统的发展和设计后，又回顾了钠离子的研究亮点，对近期嵌钠正极材料的插层化合物（包括层状过渡金属氧化物和聚阴离子化合物）和负电极（包括硬碳、钛和钒的氧化物）进行了主要的讨论研究。
文献下载链接：Sodium and sodium-ion energy storage batteries
8、钠离子与锂离子插层材料电压、稳定性和扩散势垒差异（通讯作者：Gerbrand Ceder 被引频次：431）[8]
杂志来源：ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE DOI: 10.1039/c1ee01782a
通讯作者简介：Gerbrand Ceder，麻省理工学院教授。毕业于比利时荷语天主教鲁汶大学（1983-1988），加利福尼亚大学材料科学博士（1988-1991）。曾获得过电池研究奖（电化学学会2004）、麻省理工学院最佳研究生教学奖等众多奖项。Ceder教授的团队擅长通过计算机建模和实验研究等手段来了解和设计先进的实验材料。
图9 两种不同插层结构的扩散势垒计算
该文献主要通过第一原理计算阐述了钠离子电池和锂离子电池嵌入时三个关键因素：电压、相位稳定和扩散障碍的差异。化合物的研究包括一系列已知的不同晶体结构的化学电池。研究人员试图通过钠和锂化合物的结构特征将观察到的差异联系起来。
9、嵌钠在中空碳纳米线中的电池应用（通讯作者：刘俊 被引频次：387）[9]
杂志来源：NANO LETTERS DOI: 10.1021/nl3016957
通讯作者简介：刘俊，来自美国西北太平洋国家实验室。刘俊博士出版物多达350，已获得超过55项美国专利。2007年被评为巴特尔著名发明家。他持有湖南大学化学工程学士学位，华盛顿大学陶瓷工程硕士学位，材料科学与工程博士学位。
图10 中空聚苯胺纳米线（a、b、e）和中空碳纳米线（c、d、f、g）的SEM图、TEM图和高清TEM图
研究人员通过空心聚苯胺纳米线的前驱体直接热解得到中空碳纳米线（HCNWs）。这种新的碳纳米结构具有较高的可逆容量（在50 mA g−1的电流密度下容量达到了251 mAh g−1）和良好的循环稳定性（超过400次）。可逆容量超过200mAh g−1以上，在循环200次以后容量为125mA g−1，容量保持率达到了90%。通过理论计算，研究人员发现石墨层间的最小间距为0.37 nm时可以实现良好的嵌钠性能。
文献下载链接：Sodium Ion Insertion in Hollow Carbon Nanowires for Battery Applications
10、用于钠基电池有优越倍率性能的中空碳纳米球（通讯作者：Robin J. White，Joachim Maier 被引频次：345）[10]
杂志来源：ADVANCED ENERGY MATERIALS DOI: 10.1002/aenm.201100691
通讯作者简介：Joachim Maier，马克斯普朗克研究所的固体研究主任（德国，斯图加特）和物理化学系的领导人员。J. Maier在德国萨尔大学学习化学，获得了硕士和博士学位。从1988到1991年，他在斯图加特负责研究功能陶瓷， 1988年到1996年，于麻省理工学院讲授缺陷化学。1991年，被任命为马克斯普朗克社会科学委员，马克斯普朗克研究所固体研究主任和斯图加特大学名誉教授。
图11 （a）中空纳米碳球在循环反应时的倍率性能；（b）中空碳纳米球与碳球电化学反应过程
该文献首次报导了将中空碳纳米球用作钠离子电池正极材料。通过将葡萄糖水热碳化合成中空碳纳米球，葡萄糖在胶乳模板上水热分解产生一层薄薄的水热碳，同时进一步在1000°C氧化热处理、移除模板核心来产生中空碳球。所得的空隙体积与原来的胶乳模板尺寸大致相符，碳壳的厚度是约为12nm。同时研究了中空纳米碳颗粒作为钠离子电池正极材料的电化学性能。
文献下载链接：Hollow Carbon Nanospheres with Superior Rate Capability for Sodium-Based Batteries
本文由材料人新能源组yuyuyu供稿，材料牛整理编辑。
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