鉅大LARGE | 點擊量：976次 | 2018年12月08日
鋰離子電池全生命周期安全性演變研究進展
能源與環境問題是21世紀人類面臨的重大問題，其中能量的存儲與轉換至關重要。目前，應用較為廣泛的是鋰離子電池。但是，鋰在地殼中較低的豐度、較高的價格在一定程度上會限制其發展前景。此時，由于鈉具有資源豐富、分布均勻以及價格低廉等優勢，使得鈉離子電池重新回到科研工作者的視野。
鈉離子電池是一種“搖椅式”電池，即通過Na+在正負極材料之間的嵌入和脫出實現可逆充放電。但是Na+的尺寸大于Li+，并且具有動力學惰性，因此尋找適合Na+嵌入/脫出的電極材料，尤其是負極材料至關重要。如商業化鋰離子電池的負極材料石墨，其層間距為0.34nm，無法承受鈉離子的脫嵌。鈉離子電池負極材料種類繁多，其中基于多電子轉化機制反應的金屬化合物類材料因其較高的理論比容量而備受關注，成為研究熱點和重點。本文梳理總結了金屬化合物轉化類材料包括金屬氧化物、金屬硫化物和金屬磷化物的研究進展以及未來的發展前景。
鈉離子電池的電化學性能主要取決于正負極材料。但是，鈉離子較大的半徑使其在電極材料中可逆地嵌入/脫出更為困難。而金屬化合物材料作為儲鈉負極材料時，遵循轉化反應機制，表現出較高的理論比容量。
1.金屬氧化物
金屬氧化物（MOx）以其低廉的價格，較高的理論比容量而得到廣泛研究。其儲鈉機理可分為兩類：①當M為電化學非活性元素（如Fe、Co、Ni、Cu等）時，與鈉發生轉化反應生成M和Na2O，如式(1)所示；②當M為電化學活性元素（如Sn、Sb等）時，先發生轉化反應，生成金屬單質M和Na2O，而后金屬M再與Na進行合金化反應生成NanM。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
金屬氧化物材料由于自身導電性差以及循環過程中較大的體積膨脹，會破壞電極結構的完整性，導致循環性能和倍率性能較差。一般通過設計制備具有新型微納結構的金屬氧化物，或與導電材料（如碳納米管、石墨烯等材料）進行復合，抑制體積膨脹，促進離子和電子的傳輸，從而改善其電化學性能。
2.金屬硫化物
作為鈉離子電池負極材料，金屬硫化物（MSx）同樣引起了科研工作者巨大的關注。此種材料主要包括層狀的二硫化物（SnS2、MoS2、WS2等）和非層狀的硫化物（FeS、NiSx等）。其中，層狀二硫化物通常先在高電位發生Na+脫嵌反應，然后在低電位發生轉化反應，生成金屬單質M和Na2S。其中有些材料如SnS2在更低電位時還發生合金化反應。同樣的，與金屬氧化物材料類似，金屬硫化物在發生轉化反應時會有較大的體積變化，影響材料的循環穩定性。
3.金屬磷化物
金屬磷化物MPx與堿金屬（如Li和Na）可發生轉化反應，生成M和Li3P或Na3P。金屬單質M在Li3P/Na3P相中均勻分散，能夠加快Li3P/Na3P氧化反應的動力學過程，從而使得MPx作為電極材料時表現出優異的電化學性能。
作為一種新型儲能體系,鈉離子電池受到了廣泛關注。其中負極材料的研究在很大程度上決定著整個體系的性能。金屬化合物負極材料具有較高的理論比容量，是一類理想的鈉離子電池負極材料。當然金屬化合物負極材料的研發需要克服其本身較低的電子電導率以及轉化反應（合金化反應）過程中較大的體積變化等難題。構筑更為有效的金屬化合物與導電碳材料的復合電極，以及針對性地設計制備微納結構的電極材料，是解決上述問題，進而提高金屬化合物負極儲鈉容量，改善循環壽命的可行策略。
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