摘要：锂离子电池（LIBs）已在汽车行业得到广泛应用，全球年产量超过1000 GWh。然而，随着对锂离子电池需求的不断增加，关键元素（如锂、钴和镍）的供应链问题日益凸显。钠离子电池（SIBs）因其高丰度和低成本的钠及其他原材料而成为一种有前景的替代方案。尽管如此，钠

锂离子电池（LIBs）已在汽车行业得到广泛应用，全球年产量超过1000 GWh。然而，随着对锂离子电池需求的不断增加，关键元素（如锂、钴和镍）的供应链问题日益凸显。钠离子电池（SIBs）因其高丰度和低成本的钠及其他原材料而成为一种有前景的替代方案。尽管如此，钠离子电池的商业化，尤其是在电网储能和汽车应用方面，仍面临重大挑战。

近日，德克萨斯大学Arumugam Manthiram 团队从化学和技经学角度识别使钠离子电池具备可行性的关键挑战。首先，对主流锂离子电池系统和有前景的钠离子电池系统之间的材料化学、工作原理和成本进行了简要比较。讨论了钠离子电池在正极、电解质和负极材料的存储稳定性、容量利用率、循环稳定性、日历寿命和安全运行方面的内在挑战。此外，还阐述了材料生产的可扩展性、材料工程可行性以及高比能电极设计和制造的问题。最后，列出了实现高比能、稳定且成本效益高的钠离子电池的有前景的途径。

该成果以“A Perspective on Pathways Toward Commercial Sodium-Ion Batteries”为题发表在“Advanced Materials”期刊，第一作者是 Cui Zehao。

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【工作要点】

本文深入探讨了钠离子电池（SIBs）实现商业化的关键挑战和潜在路径，从化学和技经学角度对钠离子电池的材料、工作机制和成本进行了全面分析。

1. 材料化学与工作机制

钠离子电池的工作机制与锂离子电池类似，均基于离子在正负极之间的嵌入和脱出。然而，钠离子电池在材料选择上具有独特性。正极材料方面，钠离子电池主要采用钠层状氧化物（NLOs，如NaNi₁–ₓ–ᵧFeₓMnᵧO₂型正极）、普鲁士蓝类（PBAs）和聚阴离子类（PACs，如Na₃V₂(PO₄)₃）。这些材料在成本上具有优势，但存在能量密度、循环稳定性和安全性等挑战。例如，NLOs在高电压下易发生复杂的相变和结构坍塌，而PBAs在热失控时可能释放有毒气体（如氢氰酸）。负极材料方面，硬碳（HC）是钠离子电池的主流选择，因其成本低、工作电压低且易于制备。然而，硬碳的无序结构导致其钠存储机制尚不明确，影响了其初始库仑效率和循环稳定性。

2. 成本与能量密度

钠离子电池的成本优势主要体现在原材料的高丰度和低价格。与锂离子电池相比，钠离子电池的正极材料成本可显著降低，但其能量密度较低，导致电池整体成本仍高于锂离子电池。例如，采用NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂ （NFM111）正极的钠离子电池，通过提高截止电压（从4.0 V提升至4.3 V）可将放电能量密度从约400 Wh/kg提升至520 Wh/kg，但高电压操作会加速电解液分解和正极结构退化。此外，钠离子电池的电解液和隔膜用量较大，进一步增加了成本。

3. 电解液设计

钠离子电池的电解液设计面临独特挑战。与锂离子电池常用的LiPF₆和碳酸酯基电解液不同，钠离子电池电解液需兼顾高电压稳定性和良好的成膜能力。常用的电解液盐包括NaPF₆和NaFSI，其中NaPF₆因成本低、氧化稳定性好而被广泛使用，但其成膜能力较差；NaFSI虽具有更好的成膜能力和安全性，但成本较高。在溶剂选择上，碳酸酯类（如EC和DEC）因其高氧化稳定性而被优先考虑，但需通过添加剂优化其成膜性能。此外，高浓度电解液（HCEs）和局部高浓度电解液（LHCEs）通过增加盐浓度或优化溶剂组成，可提高电解液的稳定性和成膜能力，但需解决高粘度和成本问题。

4. 性能优化与挑战

钠离子电池的性能优化需综合考虑正极、负极和电解液的协同作用。正极材料方面，通过单晶化、掺杂和表面涂层等策略可显著提升NLOs的循环稳定性和空气稳定性。例如，Ti⁴⁺和Mg²⁺掺杂可减少NLOs的表面反应，缓解高电压下的相变问题。负极材料方面，硬碳的性能优化需关注其微观结构和表面化学，通过调节前驱体、热解温度和杂原子掺杂可优化硬碳的钠存储性能。电解液方面，添加剂如氟代碳酸乙烯酯（FEC）和1,3-丙烷磺内酯（PS）可有效改善电解液的成膜能力和界面稳定性，减少气体生成和界面副反应。

5. 商业化路径

钠离子电池的商业化需解决材料的可扩展性、工程可行性和电池设计问题。正极材料的合成需优化前驱体合成和热解工艺，以实现大规模生产。负极材料的性能优化需解决硬碳的批次一致性问题。电解液设计需开发高电压、高稳定性的电解液体系，并降低其成本。此外，钠离子电池的商业化还需建立标准化的材料合成流程、电池性能评估指标和测试协议，以加速其在电网储能和汽车应用中的推广。

图1. a) 锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）的电池结构，其中不同组件的体积表示成本比例。b) 锂离子电池和钠离子电池中常见元素的成本和丰度。c) 锂离子电池和钠离子电池行业共享的材料合成和电池制造设备。d) 不同电池化学体系的锂离子电池和钠离子电池的成本分解。e) 基于截止电压和能量密度的钠层状氧化物（NLO）基钠离子电池的电池成本演变，以及NFM111正极的充放电曲线。f) 不同正极材料的操作电压和平均电压（红点）与锂离子电池和钠离子电池中电解液的线性扫描伏安法（LSV）结果对比。

图2. a) 钠离子正极材料的性能指标雷达图。b) 不同正极化学体系的钠离子电池的商业化进展和能量密度。c) 层状氧化物（NLOs）相关问题，包括残留Na的形成、复杂的相变、正极-电解液高反应性和颗粒内部开裂。d) 改性NLOs的策略，包括单晶形貌控制、晶格掺杂和表面工程。e) 普鲁士蓝类（PBAs）在热失控和电池循环过程中的气体生成示意图。f) Natron Energy开发的基于PBA的“对称”钠离子电池的电池结构。g) 当钠金属被硬碳替代为负极时，钠离子电池的能量保持率，其中列出了聚阴离子类（PACs）中氧化还原对的氧化还原电位。h) 不同共价性下M-O键的分子轨道分裂图。i) 商业化钒基和铁基聚阴离子类（PAC-V和PAC-Fe）正极的策略。

图3. a) 不同钠化机制标记的Na|硬碳电池的首次放电曲线。b) 硬碳的吸附、嵌入和孔填充钠化机制示意图。c) 揭示硬碳钠储存机制的关键表征方法。d) 调控硬碳表面缺陷和化学性质的策略示意图。e) 调控石墨纳米晶粒层间距的策略示意图。f) 调控微孔数量和结构的策略示意图。g) 调控固体电解质界面（SEI）化学性质的策略示意图。

图4. a) 常见钠离子电解液盐、溶剂和溶剂化结构的性能指标雷达图。b) 从锂离子电池到钠离子电池过渡的关键挑战及电解液化学方面的有效解决方案。c) 常规和新兴电解液体系中表现最佳的盐和溶剂示意图。d) 基于功能性的钠离子电池电解液添加剂列表。e) 不同电解液体系的溶剂化结构和电极-电解液界面（EEI）示意图，展示了代表性电解液组成。

图5. a) 钠离子电池性能优化流程示意图及可靠评估优化策略所需的电池性能指标。b) 不同参考电极和样品电极对电池性能退化的贡献示意图，以及关键电化学性能测试列表。c) 钠离子电池除电化学性能外的重要方面，包括正负极双向交叉行为。d) 气体生成。e) 热稳定性。f) 计算材料模拟和选择。

【结论】

本文深入探讨了钠离子电池（SIBs）在正极、负极和电解液的稳定性及相关技术挑战，并提出了潜在的解决方案。除了材料的内在结构和化学性质外，建立标准化的材料合成流程、电池性能评估指标和测试协议至关重要。这些标准将有助于促进跨学科比较，加速结构、化学与性能之间关系的理解，并提高基于特定化学和指标预测电池性能的可靠性。例如，评估策略的有效性应聚焦于实际多层软包电池，其电极载量≥4 mA·h·cm⁻²，电解液/容量（E/C）比≤3 g·Ah⁻¹，循环次数≥1000次。此外，在主要评估稳定化策略时，应避免使用高活性的钠金属负极作为参考电极，因为钠金属负极会导致快速阻抗积累，是容量衰减的主要原因之一。相比之下，钠钒磷酸盐（NVP）可在电解液稳定窗口内作为正负极使用，是一种稳定的参比电极。这可以更准确地评估正极和硬碳负极的性能，最小化参考电极对容量衰减的贡献。为了进一步完善策略，样品可以在NVP|样品电池中进行钠化或脱钠，并与原始样品电极配对形成对称电池，完全消除参考电极的贡献。基于NVP|样品或样品|样品电池的全面电化学分析，可在实际载量下充分阐述优化策略的可靠性。此外，钠离子电池的其他关键方面仍需进一步研究。例如，需要进一步了解和调控在NLOs合成过程中形成的少量金属氧化物杂质，尤其是在规模化合成过程中。此外，需要进一步研究正负极双向交叉行为及其对电极界面化学和结构的影响（见图5c）。高电压钠离子正极和全电池的气体析出行为也应根据电解液配方、正极组成和荷电状态进行定量分析，因为高电压下电解液的稳定性较差（见图5d）。热稳定性是另一个重要的安全性方面，需要进行更定量的研究，包括标准化测试协议，如差示扫描量热法（DSC）和加速量热仪（ARC）（见图5e）。最后，优先发展人工智能辅助的计算方法，用于材料性能预测和选择，以加速当前电池化学的优化和新化学体系的发现（见图5f）。

Cui, Z., Liu, C., & Manthiram, A. (2025). A Perspective on Pathways Toward Commercial Sodium-Ion Batteries. Advanced Materials, 2420463.

来源：锂电百科