材料人薦讀|近十年鈉電領域的重大突破
鈉離子電池（Sodium ion battery）同鋰離子電池的工作原理相似，都是利用離子在正極和負極之間的移動進行充放電。因為鈉離子的體積是鋰離子的兩倍，所以最初在使用過程中無法實現鈉離子的充放電，但是鈉離子電池低廉的成本、可快速充放電的性能讓研究人員無法忽視這一方向。近年來，隨著鈉離子電池領域的不斷研發，現在不僅實現了鈉離子電池的重復充放電也為實用化提供了方向。
在本期內容中，我們將為大家推薦幾篇材料科學領域內鈉離子電池方向的ESI高被引文章，并按被引頻次挑選其中10篇對文章內容及其通訊作者加以介紹，旨在為讀者了解鈉離子電池高質量文獻以及這一領域的研究團隊提供便利。下面讓我們來看一下鈉離子電池領域近十年取得的成就，看鈉離子電池是如何一步一步成為化學電源的新寵的！
1、鈉離子電池（通訊作者：Christopher S. Johnson ?被引頻次：918）[1]??
雜志來源：ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS?? DOI: 10.1002/adfm.201200691
通訊作者簡介：Christopher S. Johnson，美國阿貢國家實驗室化學家和項目負責人，專業從事電池材料的研究與開發，對電池系統有20多年的研究經驗。他畢業于北卡羅來納大學教堂山分校（本科化學）并于1992年在西北大學獲得博士學位。他一直活躍在鋰和鈉電池材料領域，出版發行了約80個出版物和8項專利。他感興趣的研究領域是電池的運輸和電網存儲。
圖1 不同鈉離子與鋰離子電池系統的能量對比
該文獻主要圍繞鈉離子電池展開，主要討論了以層狀過渡金屬氧化物作為鈉陽離子載體的陰極材料、對應的陰極材料、能量密度及其電解液。文獻中討論了近期發表的相關鈉電材料的性能，并重新審視了先前的鈉電材料，介紹了作者所在實驗室的最新成果。
文獻下載鏈接：Sodium-Ion Batteries
2、鈉離子電池成為低成本儲能系統的最新進展和面臨的挑戰（通訊作者：Teofilo Rojo 被引頻次：914）[2]
雜志來源：ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE?? DOI: 10.1039/c2ee02781j
通訊作者簡介：Teofilo Rojo于1981年在巴斯克自治區大學獲得博士學位。他在歐洲和美國的幾個大學里都進行過研究學習。他的研究主要集中在固態化學和材料科學。自2010以來，一直擔任CIC-Energigune的科學主任，他的研究重點是為摻鋰和不摻鋰電池的材料。他在西班牙各科學機構擔任不同職務，在過去十年內擔任西班牙皇家學會固體化學小組主席。
圖2 Na1.5VOPO4F0.5結構圖
圖3 Na/P(EO) 8NaCF3SO3/C電池加熱到86℃的充放電曲線
研究人員主要研究了幾種不同的嵌鈉電極材料：氧化物、氟磷酸鹽和磷酸鹽。實驗數據表明，由于氧化物嵌入-脫嵌比較復雜，所以氧化物的效果并不理想。然而，磷酸鹽和氟磷酸鹽卻表現出了優異的穩定性，因為較大的工作電位引發了磷酸鹽陰離子誘導效應。
文獻下載鏈接：Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems
3、可充電鈉離子電池電極材料：當前鋰離子電池的潛在替代品（通訊作者：Gerbrand Ceder，Kisuk Kang 被引頻次：837）[3]
雜志來源：ADVANCED ENERGY MATERIALS ?DOI: 10.1002/aenm.201200026
通訊作者簡介：Kisuk Kan于國立首爾大學獲得學士學位，現任國立首爾大學材料科學與工程系教授。他在麻省理工學院研讀博士學位時研究的是關于鋰電池電極材料的設計。他加入SNU之前，是韓國科學技術院教授。他在SNU重點研究鋰離子電池或鋰前（如鈉、鎂）電池和金屬空氣電池。Gerbrand Ceder，麻省理工學院材料科學與工程系教授。他的研究興趣在于設計新的能源產生和儲存材料。他在鋰電池領域工作了16多年，優化了幾種新型電極材料，發表了超過285篇科技論文。Ceder博士創立了材料基因組項目，他最新的科學成果，是開發了超快速充電材料。
圖4 碳的微觀結構圖和不同碳復合物在鈉電池中的容量曲線圖
該文獻中人員簡要回顧了一些已經對鈉電進行過測試的鈉離子電池正負極材料。盡管電壓較低，但是和鋰化合物相比，鈉的嵌入和脫嵌對鈉電極造成的容量改變產生的影響更大。對于陽極材料，研究人員對碳質和非碳質材料分別進了行研究。分別討論了氧化物、聚陰離子化合物，和其他化合物等陰極材料。
4、大型電能儲存用室溫鈉離子電池（通訊作者：胡勇勝 被引頻次：660）[4]
雜志來源：ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE??? DOI: 10.1039/c3ee40847g
通訊作者簡介：胡勇勝，2001年在武漢理工大學材料學院獲碩士學位，2004年中科院物理研究所獲博士學位。曾先后到德國Max-Planck固體研究所做博士后和研究員（2004-2007），美國加州大學圣芭芭拉分校從事博士后研究（2007-2008）。2008年入選中科院“百人計劃”，現為中科院物理研究所研究員，博士生導師，在E01組工作。
圖5 鈉電池可用電極材料的結構圖
在這篇綜述中，研究人員主要關注了以下方面（1）現有的陰極和陽極材料（無機和有機）；（2）鈉離子電池的有機液體和固體電解質；（3）Na存儲機制與Li存儲機制；（4）目前的高吞吐量的計算（5）水系鈉離子電池系統。目前可用的大多數鈉電極材料是來自他們的鋰類似物。研究人員對許多鋰離子電池的電極材料也進行了鈉存儲測試，以探索合適的鈉離子電池電極。
文獻下載鏈接：Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage
5、嵌鈉和固體電解質界面在硬碳及鈉離子電池中的應用（通訊作者：Shinichi Komaba 被引頻次：590）[5]
雜志來源：ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS???? DOI:?10.1002/adfm.201100854
通訊作者簡介：Shinichi Komaba，東京科技大學應用化學系教授，日本京都大學項目教授。于1998獲日本早稻田大學工程學博士學位，其后于1998至2005年間在日本巖手大學當研究助理。從2003到2004，他法國擔任博士后研究員。于2005加入東京科技大學當教員。他以作者或合著者身份出版了約160份出版物。他目前的研究主要集中在材料科學和電化學設備的電化學研究（可充電鋰和鈉離子電池，電容器，傳感器和生物燃料電池）。
圖6 硬碳電極第一次恒流循環后a）鈉和b）鋰的飛行時間二次離子質譜
在這項研究中，研究人員實現了硬碳大容量嵌鈉性能和層狀NaNi0.5Mn0.5O2電極，制備了硬質碳/ NaNi0.5Mn0.5O2電池。主要從硬碳的結構變化、鈍化和界面結構對嵌鈉進行了分析。實驗結果表明該電池循環性能穩定，有望替代二次鋰離子電池。
6、鈉離子電池的研究進展（通訊作者：Shinichi Komaba 被引頻次：554）[6]?
雜志來源：CHEMICAL REVIEWS? ?DOI:?10.1021/cr500192f
通訊作者簡介：同5，在此不再贅述。
圖7 幾種不同結構的層狀NaxMeO2充放電曲線比較
該綜述主要回顧了最近在鈉電上的研究進展。在過去的幾年中，很多研究小組已經發現許多不同的嵌鈉材料。關于鈉電的出版物數量在2010年后大幅增加。負極材料在過去的幾年中也有新的發現。最重要的區別是Li和Na在非質子極性溶劑中的化學變化。例如，在這兩個系統的表面鈍化過程是明顯不同的。更好的電解質和適當的鈉系統的設計對于實現鈉電長循環壽命是非常重要的。
文獻下載鏈接：Research Development on Sodium-Ion Batteries
7、鈉和鈉離子儲能電池（通訊作者：Linda F. Nazar 被引頻次：461）[7]?
雜志來源：CURRENT OPINION IN SOLID STATE & MATERIALS SCIENCE? DOI:?10.1016/j.cossms.2012.04.002
通訊作者簡介：琳達·納薩爾（Linda F. Nazar）加拿大滑鐵盧大學化學、電子及計算機工程教授，是一位世界電池領域的女杰出科學家，主要研究儲能材料和固態電化學。學術成果：200篇（項/部）的研究成果累計被引超過1.45萬次，2009年以來被引約1.1萬次；H指數61，2009年以來的H指數達到50。入選2014年湯森路透的高引作者，2009年曾經獲得國際電化學會電池部研究獎，2010年獲得加州研究所摩爾杰出學者獎，2011年獲國際鋰電池學會獎，2011年獲國際純粹化學會化學工程杰出女性科學家獎。2011年被評為加拿大皇家學會會員。
圖8 Na0.7O2的電流循環及循環中發生的相變
在簡短的介紹了Na-S、鈉/氯化鎳和新型Na–O2電池系統的發展和設計后，又回顧了鈉離子的研究亮點，對近期嵌鈉正極材料的插層化合物（包括層狀過渡金屬氧化物和聚陰離子化合物）和負電極（包括硬碳、鈦和釩的氧化物）進行了主要的討論研究。
文獻下載鏈接：Sodium and sodium-ion energy storage batteries
8、鈉離子與鋰離子插層材料電壓、穩定性和擴散勢壘差異（通訊作者：Gerbrand Ceder 被引頻次：431）[8]
雜志來源：ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE???? DOI:?10.1039/c1ee01782a
通訊作者簡介：Gerbrand Ceder，麻省理工學院教授。畢業于比利時荷語天主教魯汶大學（1983-1988），加利福尼亞大學材料科學博士（1988-1991）。曾獲得過電池研究獎（電化學學會2004）、麻省理工學院最佳研究生教學獎等眾多獎項。Ceder教授的團隊擅長通過計算機建模和實驗研究等手段來了解和設計先進的實驗材料。
圖9 兩種不同插層結構的擴散勢壘計算
該文獻主要通過第一原理計算闡述了鈉離子電池和鋰離子電池嵌入時三個關鍵因素：電壓、相位穩定和擴散障礙的差異。化合物的研究包括一系列已知的不同晶體結構的化學電池。研究人員試圖通過鈉和鋰化合物的結構特征將觀察到的差異聯系起來。
9、嵌鈉在中空碳納米線中的電池應用（通訊作者：劉俊 被引頻次：387）[9]??
雜志來源：NANO LETTERS?? DOI:?10.1021/nl3016957
通訊作者簡介：劉俊，來自美國西北太平洋國家實驗室。劉俊博士出版物多達350，已獲得超過55項美國專利。2007年被評為巴特爾著名發明家。他持有湖南大學化學工程學士學位，華盛頓大學陶瓷工程碩士學位，材料科學與工程博士學位。
圖10 中空聚苯胺納米線（a、b、e）和中空碳納米線（c、d、f、g）的SEM圖、TEM圖和高清TEM圖
研究人員通過空心聚苯胺納米線的前驅體直接熱解得到中空碳納米線（HCNWs）。這種新的碳納米結構具有較高的可逆容量（在50 mA g?1的電流密度下容量達到了251 mAh g?1）和良好的循環穩定性（超過400次）。可逆容量超過200mAh g?1以上，在循環200次以后容量為125mA g?1，容量保持率達到了90%。通過理論計算，研究人員發現石墨層間的最小間距為0.37 nm時可以實現良好的嵌鈉性能。
文獻下載鏈接：Sodium Ion Insertion in Hollow Carbon Nanowires for Battery Applications
10、用于鈉基電池有優越倍率性能的中空碳納米球（通訊作者：Robin J. White，Joachim Maier 被引頻次：345）[10]?
雜志來源：ADVANCED ENERGY MATERIALS ??DOI:?10.1002/aenm.201100691
通訊作者簡介：Joachim Maier，馬克斯普朗克研究所的固體研究主任（德國，斯圖加特）和物理化學系的領導人員。J. Maier在德國薩爾大學學習化學，獲得了碩士和博士學位。從1988到1991年，他在斯圖加特負責研究功能陶瓷， 1988年到1996年，于麻省理工學院講授缺陷化學。1991年，被任命為馬克斯普朗克社會科學委員，馬克斯普朗克研究所固體研究主任和斯圖加特大學名譽教授。
圖11 （a）中空納米碳球在循環反應時的倍率性能；（b）中空碳納米球與碳球電化學反應過程
該文獻首次報導了將中空碳納米球用作鈉離子電池正極材料。通過將葡萄糖水熱碳化合成中空碳納米球，葡萄糖在膠乳模板上水熱分解產生一層薄薄的水熱碳，同時進一步在1000°C氧化熱處理、移除模板核心來產生中空碳球。所得的空隙體積與原來的膠乳模板尺寸大致相符，碳殼的厚度是約為12nm。同時研究了中空納米碳顆粒作為鈉離子電池正極材料的電化學性能。
文獻下載鏈接：Hollow Carbon Nanospheres with Superior Rate Capability for Sodium-Based Batteries
本文由材料人新能源組yuyuyu供稿，材料牛整理編輯。
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