钠离子电池正极材料研究进展

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. doi: 10.3866/PKU.WHXB201610111 shu
Citation:  FANG Yong-Jin,  CHEN Zhong-Xue,  AI Xin-Ping,  YANG Han-Xi,  CAO Yu-Liang. Recent Developments in Cathode Materials for Na Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(1): 211-241. doi: 10.3866/PKU.WHXB201610111 shu

钠离子电池正极材料研究进展

    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。;




  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFB0901501)和国家自然科学基金(21373155,21333007,21273090)资助项目

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。

English

    1. [1]

      Tarascon, J. M. Nat. Chem. 2010, 2, 510. doi: 10.1038nchem.680

    2. [2]

      Fang, Z.; Cao, Y. L.; Hu, Y. S.; Chen, L. Q.; Huang, X. J.Energy Storage Sci. Technol. 2016, 5, 149. [方铮, 曹余良, 胡勇胜, 陈立泉, 黄学杰. 储能科学与技术, 2016, 5, 149.] doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.005

    3. [3]

      Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J.B. Mater. Res. Bull. 1980, 15, 783. doi: 10.1016/0025-5408(80)90012-4

    4. [4]

      (a) Braconnier, J. J.; Delmas, C.; Fouassier, C.; Hagenmuller, P. Mater. Res. Bull. 1980, 15, 1797. doi: 10.1016/0025-5408(80)90199-3

    5. [5]

      Delmas, C.; Braconnier, J. J.; Fouassier, C.; Hagenmuller, P. Solid State Ionics 1981, 3-4, 165. doi: 10.1016/0167-2738(81)90076-X

    6. [6]

      Abraham, K. M. Solid State Ionics 1982, 7, 199. doi: 10.10160167-2738(82)90051-0

    7. [7]

      Braconnier, J. J.; Delmas, C.; Hagenmuller, P. Mater. Res. Bull. 1982, 17, 993. doi: 10.1016/0025-5408(82)90124-6

    8. [8]

      Mendiboure, A.; Delmas, C.; Hagenmuller, P. J. Solid State Chem. 1985, 57, 323. doi: 10.1016/0022-4596(85)90194-X

    9. [9]

      Yabuuchi, N.; Kubota, K.; Dahbi, M.; Komaba, S. Chem. Rev. 2014, 114, 11636. doi: 10.1021/cr500192f

    10. [10]

      Delmas, C.; Fouassier, C.; Hagenmuller, P. Physica B+C 1980, 99, 81. doi: 10.1016/0378-4363(80)90214-4

    11. [11]

      Blangero, M.; Carlier, D.; Pollet, M.; Darriet, J.; Delmas, C.; Doumerc, J. P. Phys. Rev. B 2008, 77, 184116. doi: 10.1103PhysRevB.77.184116

    12. [12]

      Doeff, M. M.; Peng, M. Y.; Ma, Y.; De Jonghe, L. C. J. Electrochem. Soc. 1994, 141, L145. doi: 10.1149/1.2059323

    13. [13]

      Sauvage, F.; Laffont, L.; Tarascon, J. M.; Baudrin, E. Inorg. Chem. 2007, 46, 3289. doi: 10.1021/ic0700250

    14. [14]

      Cao, Y.; Xiao, L.; Wang, W.; Choi, D.; Nie, Z.; Yu, J.; Saraf, L.V.; Yang, Z.; Liu, J. Adv. Mater. 2011, 23, 3155. doi: 10.1002adma.201100904

    15. [15]

      Kim, H.; Kim, D. J.; Seo, D. H.; Yeom, M. S.; Kang, K.; Kim, D. K.; Jung, Y. Chem. Mater. 2012, 24, 1205. doi: 10.1021cm300065y

    16. [16]

      (a) Hosono, E.; Saito, T.; Hoshino, J.; Okubo, M.; Saito, Y.; Nishio-Hamane, D.; Kudo, T.; Zhou, H. J. Power Sources 2012, 217, 43. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.05.100

    17. [17]

      Qiao, R.; Dai, K.; Mao, J.; Weng, T. C.; Sokaras, D.; Nordlund, D.; Song, X.; Battaglia, V. S.; Hussain, Z.; Liu, G.; Yang, W. Nano Energy 2015, 16, 186. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.06.024

    18. [18]

      Demirel, S.; Oz, E.; Altin, E.; Altin, S.; Bayri, A.; Kaya, P.; Turan, S.; Avci, S. Mater. Charact. 2015, 105, 104. doi: 10.1016/j.matchar.2015.05.005

    19. [19]

      Guo, S.; Yu, H.; Liu, D.; Tian, W.; Liu, X.; Hanada, N.; Ishida, M.; Zhou, H. Chem. Commun. 2014, 50, 7998. doi: 10.1039c4cc02362e

    20. [20]

      Jiang, X.; Liu, S.; Xu, H.; Chen, L.; Yang, J.; Qian, Y. Chem. Commun. 2015, 51, 8480. doi: 10.1039/c5cc02233a

    21. [21]

      (a)Wang, Y.; Liu, J.; Lee, B.; Qiao, R.; Yang, Z.; Xu, S.; Yu, X.; Gu, L.; Hu, Y. S.; Yang, W.; Kang, K.; Li, H.; Yang, X. Q.; Chen, L.; Huang, X. Nat. Commun. 2015, 6. doi: 10.1038ncomms7401

    22. [22]

      Xu, S.; Wang, Y.; Ben, L.; Lyu, Y.; Song, N.; Yang, Z.; Li, Y.; Mu, L.; Yang, H. T.; Gu, L.; Hu, Y. S.; Li, H.; Cheng, Z. H.; Chen, L.; Huang, X. Adv. Energy Mater. 2015, doi: 10.1002aenm.201501156

    23. [23]

      Ma, X.; Chen, H.; Ceder, G. J. Electrochem. Soc. 2011, 158, A1307. doi: 10.1149/2.035112jes

    24. [24]

      Abakumov, A. M.; Tsirlin, A. A.; Bakaimi, I.; Van Tendeloo, G.; Lappas, A. Chem. Mater. 2014, 26, 3306. doi: 10.1021cm5011696

    25. [25]

      Caballero, A.; Hernan, L.; Morales, J.; Sanchez, L.; SantosPena, J.; Aranda, M. A. G. J. Mater. Chem. 2002, 12, 1142. doi: 10.1039/b108830k

    26. [26]

      Paulsen, J. M.; Dahn, J. R. Solid State Ionics 1999, 126, 3. doi: 10.1016/S0167-2738(99)00147-2

    27. [27]

      Yuan, D.; He, W.; Pei, F.; Wu, F.; Wu, Y.; Qian, J.; Cao, Y.; Ai, X.; Yang, H. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 3895. doi: 10.1039c3ta01430d

    28. [28]

      Yabuuchi, N.; Hara, R.; Kajiyama, M.; Kubota, K.; Ishigaki, T.; Hoshikawa, A.; Komaba, S. Adv. Energy Mater. 2014, doi: 10.1002/aenm.201301453

    29. [29]

      Billaud, J.; Singh, G.; Armstrong, A. R.; Gonzalo, E.; Roddatis, V.; Armand, M.; Rojo, T.; Bruce, P. G. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1387. doi: 10.1039/c4ee00465e

    30. [30]

      Yabuuchi, N.; Hara, R.; Kubota, K.; Paulsen, J.; Kumakura, S.; Komaba, S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 16851. doi: 10.1039c4ta04351k

    31. [31]

      Billaud, J.; Clément, R. J.; Armstrong, A. R.; Canales-Vázquez, J.; Rozier, P.; Grey, C. P.; Bruce, P. G. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 17243. doi: 10.1021/ja509704t

    32. [32]

      Yabuuchi, N.; Yoshida, H.; Komaba, S. Electrochemistry 2012, 80, 716. doi: 10.5796/electrochemistry.80.716

    33. [33]

      Zhao, J.; Zhao, L.; Dimov, N.; Okada, S.; Nishida, T. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A3077. doi: 10.1149/2.007305jes

    34. [34]

      Lee, E.; Brown, D. E.; Alp, E. E.; Ren, Y.; Lu, J.; Woo, J. J.; Johnson, C. S. Chem. Mater. 2015, 27, 6755. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02918

    35. [35]

      Yabuuchi, N.; Kajiyama, M.; Iwatate, J.; Nishikawa, H.; Hitomi, S.; Okuyama, R.; Usui, R.; Yamada, Y.; Komaba, S.Nat. Mater. 2012, 11, 512. doi: 10.1038/nmat3309

    36. [36]

      Yuan, D.; Hu, X.; Qian, J.; Pei, F.; Wu, F.; Mao, R.; Ai, X.; Yang, H.; Cao, Y. Electrochim. Acta 2014, 116, 300. doi: 10.1016/j.electacta.2013.10.211

    37. [37]

      Thorne, J. S.; Dunlap, R. A.; Obrovac, M. N. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A361. doi: 10.1149/2.058302jes

    38. [38]

      Singh, G.; Acebedo, B.; Cabanas, M. C.; Shanmukaraj, D.; Armand, M.; Rojo, T. Electrochem. Commun. 2013, 37, 61. doi: 10.1016/j.elecom.2013.10.008

    39. [39]

      Wang, X.; Liu, G.; Iwao, T.; Okubo, M.; Yamada, A. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 2970. doi: 10.1021/jp411382r

    40. [40]

      Singh, G.; Aguesse, F.; Otaegui, L.; Goikolea, E.; Gonzalo, E.; Segalini, J.; Rojo, T. J. Power Sources 2015, 273, 333. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.09.050

    41. [41]

      (a) Miyazaki, S.; Kikkawa, S.; Koizumi, M. Synth. Met. 1983, 6, 211. doi: 10.1016/0379-6779(83)90156-X

    42. [42]

      Molenda, J.; StokŁlosa, A. Solid State Ionics 1990, 38, 1. doi: 10.1016/0167-2738(90)90438-W

    43. [43]

      Vassilaras, P.; Ma, X.; Li, X.; Ceder, G. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A207. doi: 10.1149/2.023302jes

    44. [44]

      Han, M. H.; Gonzalo, E.; Casas-Cabanas, M.; Rojo, T. J. Power Sources 2014, 258, 266. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.02.048

    45. [45]

      (a) Komaba, S.; Yabuuchi, N.; Nakayama, T.; Ogata, A.; Ishikawa, T.; Nakai, I. Inorg. Chem. 2012, 51, 6211. doi: 10.1021/ic300357d

    46. [46]

      Yuan, D. D.; Wang, Y. X.; Cao, Y. L.; Ai, X. P.; Yang, H. X.ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 8585. doi: 10.1021acsami.5b00594

    47. [47]

      Yoshida, H.; Yabuuchi, N.; Kubota, K.; Ikeuchi, I.; Garsuch, A.; Schulz-Dobrick, M.; Komaba, S. Chem. Commun. 2014, 50, 3677. doi: 10.1039/c3cc49856e

    48. [48]

      Yu, H.; Guo, S.; Zhu, Y.; Ishida, M.; Zhou, H. Chem. Commun. 2014, 50, 457. doi: 10.1039/c3cc47351a

    49. [49]

      Shanmugam, R.; Lai, W. ECS Electrochem. Lett. 2014, 3, A23. doi: 10.1149/2.007404eel

    50. [50]

      Gupta, A.; Buddie Mullins, C.; Goodenough, J. B. J. Power Sources 2013, 243, 817. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.06.073

    51. [51]

      Saadoune, I.; Maazaz, A.; Ménétrier, M.; Delmas, C. J. Solid State Chem. 1996, 122, 111. doi: 10.1006/jssc.1996.0090

    52. [52]

      Kim, D.; Kang, S. H.; Slater, M.; Rood, S.; Vaughey, J. T.; Karan, N.; Balasubramanian, M.; Johnson, C. S. Adv. Energy Mater. 2011, 1, 333. doi: 10.1002/aenm.201000061

    53. [53]

      (a) Guo, S.; Liu, P.; Yu, H.; Zhu, Y.; Chen, M.; Ishida, M.; Zhou, H. Angew. Chem. 2015, 127, 5992. doi: 10.1002ange.201411788

    54. [54]

      Lee, E.; Lu, J.; Ren, Y.; Luo, X.; Zhang, X.; Wen, J.; Miller, D.; DeWahl, A.; Hackney, S.; Key, B.; Kim, D.; Slater, M. D.; Johnson, C. S. Adv. Energy Mater. 2014, doi: 10.1002aenm.201400458

    55. [55]

      Yuan, D.; Liang, X.; Wu, L.; Cao, Y.; Ai, X.; Feng, J.; Yang, H.Adv. Mater. 2014, 26, 6301. doi: 10.1002/adma.201401946

    56. [56]

      Ma, J.; Bo, S. H.; Wu, L.; Zhu, Y.; Grey, C. P.; Khalifah, P. G.Chem. Mater. 2015, 27, 2387. doi: 10.1021/cm504339y

    57. [57]

      (a) Mu, L.; Xu, S.; Li, Y.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, L.; Huang, X. Adv. Mater. 2015, 27, 6928. doi: 10.1002/adma.201502449

    58. [58]

      Xu, S. Y.; Wu, X. Y.; Li, Y. M.; Hu, Y. S.; Chen, L. Q. Chin. Phys. B 2014, 23, 118202. doi;

    59. [59]

      Li, Y.; Yang, Z.; Xu, S.; Mu, L.; Gu, L.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, L. Adv. Sci. 2015, doi: 10.1002/advs.201500031

    60. [60]

      Li, Y.; Hu, Y. S.; Qi, X.; Rong, X.; Li, H.; Huang, X.; Chen, L. Energy Storage Materials 2016, 5, 191. doi: 10.1016/j.ensm.2016.07.006

    61. [61]

      Berthelot, R.; Carlier, D.; Delmas, C. Nat. Mater. 2011, 10, 74. doi: 10.1038/nmat2920

    62. [62]

      Ding, J. J.; Zhou, Y. N.; Sun, Q.; Yu, X. Q.; Yang, X. Q.; Fu, Z.W. Electrochim. Acta 2013, 87, 388. doi: 10.1016/j.electacta.2012.09.058

    63. [63]

      Ma, Y.; Doeff, M. M.; Visco, S. J.; De Jonghe, L. C. J. Electrochem. Soc. 1993, 140, 2726. doi: 10.1149/1.2220900

    64. [64]

      Yoshida, H.; Yabuuchi, N.; Komaba, S. Electrochem. Commun. 2013, 34, 60. doi: 10.1016/j.elecom.2013.05.012

    65. [65]

      Carlier, D.; Cheng, J. H.; Berthelot, R.; Guignard, M.; Yoncheva, M.; Stoyanova, R.; Hwang, B. J.; Delmas, C.Dalton Trans. 2011, 40, 9306. doi: 10.1039/c1dt10798d

    66. [66]

      (a) Chagas, L.; Buchholz, D.; Vaalma, C.; Wu, L.; Passerini, S.J. Mater. Chem. A 2014, 2, 20263. doi: 10.1039/C4TA03946G

    67. [67]

      Chen, X.; Zhou, X.; Hu, M.; Liang, J.; Wu, D.; Wei, J.; Zhou, Z., J. Mater. Chem. A 2015, 3, 20708. doi: 10.1039C5TA05205J

    68. [68]

      Komaba, S.; Takei, C.; Nakayama, T.; Ogata, A.; Yabuuchi, N.Electrochem. Commun. 2010, 12, 355. doi: 10.1016/j.elecom.2009.12.033

    69. [69]

      Ding, J. J.; Zhou, Y. N.; Sun, Q.; Fu, Z.W. Electrochem. Commun. 2012, 22, 85. doi: 10.1016/j.elecom.2012.06.001

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  70
  • 文章访问数:  2657
  • HTML全文浏览量:  505
文章相关
  • 收稿日期:  2016-08-09
  • 修回日期:  2016-10-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章