研究背景
钠离子电池作为锂离子电池最有潜力的替代产品，仍存在很多问题阻碍了其商业化。层状过渡金属氧化物阴极由于其易于合成、比容量大和离子电导率高等优点引起了人们的广泛关注，但是通常由于充放电过程中的不可逆相变和湿度敏感导致的结构不稳定等导致材料的电化学性能差。近年来，为了解决这些问题，人们付出了巨大的努力，以获得先进的高性能层状氧化物阴极。本文总结了层状结构阴极材料的合成方法、存在的问题以及相应的改性策略，希望能够为获得稳定的高性能层状氧化物材料提供有益的指导。
▲ Main challenges and solutions of SIB layered cathode materials. |
研究内容
1. 层状过渡金属氧化物的制备方法
材料的制备方法对电池性能有很大的影响，用不同方法合成的材料在结构、粒径、形貌和电化学性质方面都有很大的差异，所以我们可以通过控制材料的形貌、颗粒尺寸、结晶度和相纯度等来提高性能。该研究团队总结了我们常用的几种合成方法，并对这些方法的优缺点进行了一个简单的比较。
2. 层状过渡金属氧化物面临的挑战
层状过渡金属氧化物主要面临的挑战有三个，即不可逆的相变，由湿度敏感引起的结构不稳定和电化学性能衰减，这些都阻碍了层状氧化物的应用。通过原位 XRD，人们可以观察到 P2 型材料通常会发生 P2-O2 相变，而 O3 型会发生更复杂的相变。这种不可逆相变的发生将导致阴极材料的结构退化和容量衰减。此外，层状材料对环境非常敏感，空气中的水分和二氧化碳会在一定程度上影响材料。同时，与电解质的副反应将导致材料的电化学性能的退化。
3. 层状过渡金属氧化物改性策略
针对前面提到的三个主要问题，研究人员为获得具有优良性能的电极材料进行了不断的努力和探索。该研究团队总结了针对这三个问题人们进行的改性策略主要有元素掺杂、结构调控、表面改性和复合相位调控。元素掺杂通常用于抑制材料循环过程中不可逆的相变，通过表面涂层可以减少粒子表面和电解质之间发生的副反应，并且可以保护阴极材料免受空气中水分和二氧化碳的影响。同时，我们可以设计材料的结构和相位，获得满意的电极材料。
1）元素掺杂：过渡金属离子在循环过程中往往会发生不可逆迁移，引发材料的结构畸变，从而导致一系列不可逆相变，最后导致层状过渡金属氧化物的电化学性能衰减。很多研究人员为了抑制材料的相变，将一些电化学活性/非活性元素（如 Mg、Zn、Al、Cu 和 Li 等）掺杂到层状过渡金属氧化物中，从而改善了材料的电化学性能，使之成为一种有效的改性策略。
2）微纳结构控制合成：块状过渡金属氧化物材料在循环过程中往往会遇到差的离子电导率和巨大的体积变化等问题，为解决这些问题，研究人员做出了很大的努力，包括调控阴极材料的尺寸，涂层和设计空心的微/纳米结构。
总结与展望
总的来说，作为 LIBs 最具有潜力的替代产品，SIBs 的商业化仍存在着很多问题。层状过渡金属氧化物材料由于具有较高的容量、易于合成和与 LIBs 阴极类似物有相似的化学反应引起了人们的广泛关注，但是 NaxTMO2 在循环过程中往往存在复杂的相变和过渡金属离子的溶解与迁移等问题，因此必须制定相应的策略来解决这些问题。
这一综述近期发表在 Nanoscale Horizons 上，文章第一作者是史彩红硕士，通讯作者为温州大学金辉乐教授和加拿大温莎大学王继昌教授。
论文信息
Challenges of layer-structured cathodes for sodium-ion batteries
Caihong Shi, Liguang Wang, Xi’an Chen, Jun Li, Shun Wang, Jichang Wang*（王继昌，加拿大温莎大学） and Huile Jin*（金辉乐，温州大学）
Nanoscale Horiz., 2022
http://doi.org/10.1039/D1NH00585E
温州大学作者简介
浙江省“万人计划”青年拔尖人才， “温州市高层次人才特殊支持计划”青年拔尖人才，温州大学化学与材料工程学院副院长,浙江省皮革工程重点实验室主任，温州市先进能源存储与转化重点实验室主任，中国高起点新刊期刊 Carbon Energy 执行编辑，国际高水平期刊 Frontiers in Chemistry 和 Battery Energy 编委。长期致力于碳材料的设计合成及在新能源与高分子方面的应用研究。近五年，先后主持 3 项国家自然科学基金项目、1 项浙江省自然科学基金项目及 10 余项企业产业化研发项目，相关研究发表 SCI 学术论文 100 多篇，6 篇入选 ESI 高引论文，其中以第一/通讯作者发表 IF > 20 的论文 4 篇，IF > 10 的论文 13 篇，包括 Adv. Mater. (1 篇)、J. Am. Chem. Soc. (1 篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (4 篇)、Adv. Energy Mater. (3 篇)，Adv. Funct. Mater. （1 篇）、Nano Energy（1 篇）、Small（1 篇）、ACS Nano（1 篇）。多次组织和担任国际学术会议副主席，并应邀在国际和国内会议、高校等邀请报告 10 余次。获授权中国发明专利 67 项，获授权美国专利 1 项，参编教材 3 部。兼职担任全国塑料制品标准化技术委员会聚氨酯制品标准化工作组委员，全国材料与器件科学家智库复合材料专家委员会常务委员，国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目、安徽省自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究项目评审专家。
