《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Achieving stability in high-voltage sodium batteries: A review of synergistic strategies across materials and interfaces
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钠离子电池高电压性能研究综述，涵盖阴极材料（氧化物、PBAs、聚阴离子化合物）结构特性、电解液（溶剂/盐/添加剂）宽电化学稳定窗口设计及界面反应控制策略，分析能量密度提升路径与挑战，提出多维度协同优化方案。
陆梦璐|严伊妮|郑永全|杨天琦|向家源|涂芳芳|夏阳|张文奎|夏新辉|张俊
中国浙江省工业大学材料科学与工程学院先进分离膜材料国家重点实验室，杭州，310014
摘要
鉴于钠的广泛可用性和成本效益，以及其与锂相似的氧化还原电位，可充电钠离子电池（SIBs）因其在储能系统中的应用而受到关注。然而，由于钠的原子量较大以及大多数商用电极的电压范围有限，SIBs的能量密度和功率密度低于锂离子电池（LIBs）。为了提高能量密度，一种有效的方法是提高SIBs的工作电压。这可以通过使用高电压正极、低电压金属钠负极和具有宽电化学稳定窗口的电解质来实现。此外，在充放电过程中形成的界面在高电压SIBs中起着关键作用。为了推进高电压SIBs的发展，对这些方面进行详细讨论和分析是必要的。本综述概述了正极材料，包括其结构、电化学性质、优缺点以及典型的改性方法。此外，还介绍了有机电解质系统的主要成分（溶剂、盐和添加剂）。最后，分析了高电压SIBs中的主要界面问题，并概述了SIBs的未来发展方向。
引言
面对日益严重的能源危机和生态挑战，开发清洁可再生能源和大规模储能（EES）系统至关重要[1]。虽然锂离子电池（LIBs）具有高能量密度、高功率密度和优异的循环稳定性等优点，但由于锂资源的稀缺、地理分布不均以及高昂的成本[[2]]，[3]]，[4]]，其广泛应用受到限制。因此，开发性能相当但成本更低 的储能技术对于实现大规模EES至关重要[5]。在这种背景下，钠离子电池（SIBs）因其显著的优势而成为研究热点[6]。钠和锂都是碱金属，具有相似的电子结构。如表1所示，它们的香农半径、斯托克斯半径和电化学电位非常接近[7]。此外，SIBs可以使用廉价的铝箔作为电流集流体，进一步降低制造成本[8]。得益于这些优势，对SIBs的研究几乎与LIBs同时开始于20世纪70年代末。尽管SIBs的当前工业规模仍小于LIBs，但它们显示出巨大的发展潜力[9]。SIBs通常表现出略低于LIBs的能量和功率密度[10]。这主要是由于钠的原子量大于锂以及大多数商用SIBs的电压范围较低[11]。因此，有限的能量和功率密度阻碍了SIBs的广泛采用和应用。为了解决这一限制，人们投入了大量研究努力来开发高电压SIB系统，以提高其能量和功率密度[12]。
为了实现这一目标，必须选择适合高电压电池的正极和负极，并匹配具有宽电化学稳定窗口（ESW）的电解质系统[13]。图1展示了有机电解质系统中SIB的基本组成和工作原理。电极材料是SIBs的重要组成部分，正负极之间的电极电位差决定了SIB的输出电压[[14]]，[15]]，[16]]。然而，它们在高电压下的内在结构稳定性面临重大挑战，常常由于严重的相变、过渡金属溶解和界面副反应而失效。这需要采用元素掺杂和表面改性等方法来提高高电压正极的性能[[17]]，[18]]，[19]]。对于金属钠负极，存在钠枝晶生长和电池运行过程中死钠形成等问题，这些问题会影响钠的沉积和剥离行为[[20]]，[21]]，[22]]。这些问题需要通过表面改性、结构设计等手段来解决[23]。SIBs的另一个重要组成部分是电解质，它作为正负极之间的介质，在Na+的传输中起着关键作用[24]。电解质必须具有宽电化学稳定窗口（ESW），以承受高电压正极的氧化反应和钠金属负极的还原反应[[25]]，[26]]，[27]]。最后，高电压会加剧界面副反应，界面不稳定性是容量衰减和电池失效的主要原因[28]。因此，理解和控制界面化学性质至关重要[[29]]，[30]]，[31]]。
在本综述中，我们概述了高电压SIBs的正极材料，包括高电压有机正极、氧化物正极、普鲁士蓝类似物（PBAs）和聚阴离子化合物。为了进一步探讨正极的高电压性能，我们讨论了它们的基本结构、电化学性质、优缺点以及典型的改性方法。然后，我们重点介绍了有机电解质系统的主要成分（溶剂、盐和添加剂），并提供了有关其特性的详细信息。最后，我们分析了高电压SIBs中的主要界面问题，并讨论了电解质的氧化和分解问题。最后，对高电压SIBs的未来发展进行了展望。
章节摘录
正极材料
一般来说，高电压正极材料需要满足以下要求：高工作电压、大比容量、良好的离子和电子导电性、在高电压下的良好结构稳定性[32]。目前，主要的高电压正极材料包括层状氧化物、聚阴离子化合物和PBAs（图2）。层状氧化物具有有序的层状结构，通常含有多种过渡金属元素。它们具有高电压和比容量，但
用于可靠高电压SIBs的电解质设计
电解质在SIBs中起着关键作用，它连接正负极并促进Na+的移动[136]。电解质的组成和比例对倍率性能、循环性能和安全性有显著影响。在高电压SIBs中，正极在高电压下工作，因此电解质需要具有宽ESW以确保整个系统的安全性和稳定性[137,138]。此外，电解质和电极材料必须兼容。
界面问题与设计策略
在高电压SIBs中，正极材料的界面在决定电化学性能方面起着关键作用。此外，高电压正极材料通常含有高价态和强氧化性的过渡金属离子。在正极表面，溶剂、添加剂和金属盐容易发生氧化和分解，导致电池循环寿命缩短和容量显著衰减[162,163]。
虽然前一节讨论了界面问题
展望
在本综述中，我们汇编并分析了各种高电压正极材料的关键电化学性能参数（在实验室规模半电池中的评估结果，见表4），以讨论它们的潜力和挑战。此外，我们还将简要讨论电解质的组成及其相关的电化学性质，包括溶剂、电解质盐和添加剂。最后，讨论了高电压正极的界面问题。
作者贡献
陆梦璐：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理。严伊妮：撰写——原始草稿、概念化、方法论、撰写、图形设计、原始草稿准备。郑永全：撰写、审稿。杨天琦：撰写——审稿与编辑、概念化、指导。向家源：审稿、指导。涂芳芳：指导、资源协调。夏阳：审稿、指导。张文奎：审稿、指导。夏新辉：审稿、指导。张俊：
资助
作者感谢以下机构的支持：杭州市重点科研项目（编号：2024SZD1B12）、浙江省科学技术厅（编号：2026C02A1045和2025R01023）、浙江省自然科学基金（编号：LD22E020006）、浙江省属高校基本科研业务费（编号：RF-C2022008），以及国家自然科学基金（编号：U20A20253、22279116和52372235）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
