澳大利亞臥龍崗大學王佳兆教授EEM綜述：可充電Na-O2和Na-CO2電池的研究進展及未來展望

成果簡介

近日，澳大利亞臥龍崗大學王佳兆教授課題組在Energy & Environmental Materials上發表題為“Research Progress and Future Perspectives on Rechargeable?Na-O₂?and Na-CO₂?Batteries”的綜述論文。該論文從工作機理、空氣正極材料設計策略、鈉負極保護、電解質穩定性等方面綜述了Na-O₂和Na-CO₂電池的研究進展和未來發展趨勢。并對今后的研究方向和有待解決的問題進行了探討。

引言

可充電Na-O₂和Na-CO₂電池具有理論能量密度高、成本適中、鈉資源豐富等優點，近年來備受關注。在大規模的能量存儲系統中實現真正的鈉-空氣電池具備很大的潛力。然而，目前Na-O₂和Na-CO₂電池的研究面臨著低能效和有限的循環壽命等挑戰，嚴重限制了其進展進程。因此，了解鈉-空氣電池的工作原理以及電極的化學和電化學反應是實現其實際應用及實現真正的鈉-空氣電池目標所必不可少的。這篇綜述將對Na-O₂和Na-CO₂電池的主要部分進行全面的介紹。首先，討論空氣負極的電化學反應機理。下面將對空氣正極設計、電解液種類、鈉負極保護等方面的研究現狀進行綜述。最后，對未來的研究方向進行了展望，提出了提高Na-O₂和Na-CO₂電池性能的策略，以實現真正的鈉-空氣電池的實際應用。

總結與展望

可充電的Na-O₂和Na-CO₂電池由于其超高的能量密度和低廉的成本，為開發下一代儲能系統提供了廣闊的方向。Na-O₂電池由于其充電過電位低，具有實現高能效的巨大潛力，自2011年首次研究以來，其研究取得了重大進展。鈉-二氧化碳電池是一種很有吸引力的方法來捕獲二氧化碳并同時提供電能，自2014年以來也吸引了大量的研究興趣。本文綜述了可充電Na-O₂和Na-CO₂電池的研究現狀，包括其反應機理、空氣正極材料、電解質和Na-CO₂陽極。在實現高性能可充電Na-O₂和Na-CO₂電池的技術潛力之前，仍有幾個關鍵問題需要解決。

1.?Na-O₂電池中復雜電化學反應的反應機理還有待研究。由于充電電位和能量效率與放電產物的組成高度相關，將其化學成分導向NaO₂是實現高電化學性能的關鍵。然而，氧氣正極上放電產物的形成和生長的詳細機制仍不清楚。在放電電極中發現了不同的化合物，包括NaO₂、Na₂O₂和它們的混合物。放電產物的組成與電池的物理化學條件有關。因此，需要包括原位研究在內的更多的努力來深入了解鈉氧電池的反應機制。

2.?反應動力學的遲緩是Na-CO₂電池不可忽視的挑戰，這將導致過電位大，可逆性差。因此，需要開發結構合理、催化能力強的高效催化劑來填補這一空白。電極的結構和形貌起到了重要的作用，因為更大的表面積可以提供更大的放電調節空間，充分的孔隙有助于CO₂氣體的有效擴散和電解質的輸送。此外，優異的電子導電性也有利于快速的電子傳遞，從而加速電化學反應。此外，對CO₂具有較強的結合親和性和催化活性，可以降低界面反應障礙，增強遲緩動力學，從而實現Na-CO₂電池的高性能。

3.?鈉負極的不穩定性是Na-O₂和Na-CO₂電池不可避免的問題。電解液中溶解的氣體和空氣正極形成的超氧化物中間物會向負極側遷移，導致鈉負極的腐蝕和鈍化。副反應可能增加過電位，進一步降低庫侖效率，甚至可能導致電池失效。更多的基礎研究應該集中在探索鈉負極側的具體反應。此外，鈉負極充放電過程中鈉枝晶的形成和生長是另一個問題，這是一個安全問題，也是提高電池效率的障礙。應采取包括制備陶瓷涂層隔膜、在鈉負極表面構建穩定的SEI層以及開發納米結構負極在內的更有效的措施來保護鈉負極來解決這一問題。

4.?電解質的穩定性也是影響Na-O₂和Na-CO₂電池性能的關鍵因素。盡管目前醚基電解質已經取代了碳酸基電解質，并被廣泛認為在細胞條件下對超氧化物的穩定，但仍有必要開發更穩定的替代品，因為醚基電解質的長期循環穩定性還有待確定。如上所述，具有高離子電導率的固態電解質為高穩定電解質提供了一個有前途的方向，這不僅可以避免易燃性和泄漏問題，還可以抑制枝晶生長和防止放電充電過程中的氣體。此外，在今后的全電池研究中還應考慮正極和鈉負極之間的電解質相容性。

綜上所述，Na-O₂和Na-CO₂電池系統雖然還處于早期研究階段，但在過去的十年中已經顯示出了廣闊的前景，取得了很大的進展。因此，明確反應機理，合成有效的空氣正極材料，探索鈉負極保護途徑，開發穩定的電解質是實現Na-O₂和Na-CO₂電池實際應用的前提。通過不斷的努力，相信Na-O₂和Na-CO₂電池，甚至是真正的鈉-空氣電池，將會被應用到大規模的儲能系統中。