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摘要

钠离子电池近年来在大规模储能领域展现出优异的发展和应用前景. 由于钠离子层状过渡金属氧化物正极材料(Na _xTMO ₂)具有比容量高、容易制备、电压可调和成本低的优势, 在学术界和产业界得到了广泛的关注与研究. 但较大的Na ⁺半径和较强的Na ⁺-Na ⁺静电排斥作用, 导致Na _xTMO ₂具有多种结构类型和复杂的结构转变, 以及由此形成了多重结构-性能关系. 本文详细介绍了Na _xTMO ₂的结构类型, 综述了在Na ⁺脱出/嵌入过程中引发的结构演变, 旨在揭示钠离子层状过渡金属氧化物正极材料结构转变机理及其对电化学性能的影响, 最后讨论了现存的挑战并提出了改进策略.

关键词:

Abstract

Na-ion batteries possess great potential applications in the large-scale energy storage. The Na-ion layered oxide cathode (Na _xTMO ₂) has received increasing attention in scientific and industrial research due to its high capacity, easy manufacture, adjustable voltage, and low cost. However, the larger the Na ⁺radius and the stronger the Na ⁺-Na ⁺electrostatic repulsion is, which will lead to various structural configurations and complex structural transitions, resulting in multiple structure-property connections. In this paper, the structural types of Na-ion layered transition metal oxide cathode materials are introduced, and their structural evolutions during Na ⁺de/intercalation are summarized for revealing the mechanism for structural transformation of Na-ion layered transition-metal oxide cathode material and its effect on electrochemical performance; the existing challenges are discussed; the improvement strategies are proposed finally.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:容晓晖,rong@iphy.ac.cn; 胡勇胜,yshu@iphy.ac.cn

作者简介:

容晓晖, 中国科学院物理研究所特聘研究员、博士生导师. 主要从事新型钠离子电池正极材料(层状氧化物、磷酸盐、普鲁士蓝等)、固态钠电池(NASICON固体电解质、新型聚合物固体电解质的设计与合成)研究. 至今已在Nature Sustainability、Joule、Journal of American Chemical Society、Energy Storage Materials等国际知名学术期刊上发表学术论文30余篇, 申请20余项国际和中国发明专利, 参与撰写《钠离子电池科学与技术》, 撰写原创科普文章50余篇. 目前担任ACS Energy Letters等多个专业杂志的审稿人

胡勇胜, 中科院物理研究所研究员, 英国皇家化学学会会士/英国物理学会会士, 中国科协十大代表. 先后承担了国家科技部863创新团队、国家杰出青年科学基金等项目. 自2001年以来, 主要从事先进二次电池的应用基础研究, 立足科学前沿和聚焦国家重大需求, 注重基础与应用, 在钠(锂)离子电池正负极材料、多尺度结构演化、功能电解质材料等方面取得多项创新性研究结果. 在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv.等国际重要学术期刊上共合作发表论文200余篇, 引用30000余次, H-因子94, 连续8年入选科睿唯安 “高被引科学家”名录. 合作申请60余项中国发明专利、已授权40项专利(包括多项美国、日本、欧盟专利). 目前担任ACS Energy Letters杂志资深编辑. 最近所获荣誉与奖励包括第十四届中国青年科技奖、国际电化学学会Tajima Prize、英国皇家学会牛顿高级访问学者等. 开发的钠离子电池技术在第三届国际储能创新大赛中荣获“2019储能技术创新典范TOP10”和“评委会大奖”、第九届中国科学院北京分院科技成果转化特等奖、2020年科创中国·科技创新创业大赛TOP10、2020年中关村国际前沿科技创新大赛总决赛亚军、入选2020年度中国科学十大进展30项候选成果, 合著《钠离子电池科学与技术》专著一本(科学出版社2020年出版)

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 51725206, 52122214, 52072403)、中国科学院战略性先导科技专项(批准号: XDA21070500)、中国科学院青年创新促进会(批准号: 2020006)、中国博士后科学基金(批准号: 2021M703460)和北京市自然科学基金(批准号: 2212022)资助的课题.

Authors and contacts

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Corresponding author:Rong Xiao-Hui,rong@iphy.ac.cn; Hu Yong-Sheng,yshu@iphy.ac.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51725206, 52122214, 52072403), the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (Grant No. XDA21070500), Youth Innovation Promotion Association of the Chinese Academy of Sciences (Grant No. 2020006), the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2021M703460), and the Natural Science Foundation of Beijing, China (Grant No. 2212022).

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结构	空间群 (代号)	原子占位
结构		Na_e	Na_f	Na	M	O
O3	${R}\bar{3}{m}$ (167)	—	—	3b (0, 0, 1/2)	3a (0, 0, 0)	6c (0, 0, ~0.27)
O'3	C2/m (12)	—	—	2d (0, 1/2, 1/2)	2a (0, 0, 0)	4i (~0.28, 0, ~0.8)
P3	R3m (160)	—	—	3a (0, 0, ~0.17)	3a (0, 0, 0)	3a (0, 0, ~0.4)
P2	P6₃/mmc (194)	2d (2/3, 1/3, 1/4)	2b (0, 0, 1/4)	—	2a (0, 0, 0)	4f (1/3, 2/3, ~0.09)
O2	P6₃mc (186)	—	—	2b (1/3, 2/3, ~0.24)	2b (2/3, 1/3, 0)	2b (2/3, 1/3, ~0.39)

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