综述：钠离子电池：未来能源系统中新兴的储能技术

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Sodium-ion batteries: emerging energy storage technology for future energy systems

　　•钠离子电池的能量密度约为120–200瓦时/千克，且成本低于锂离子电池系统。•层状氧化物电池的容量可达120–200毫安时/克，工作电压可高达3.8伏特。•聚阴离子型正极在经过500–1000次循环后仍能保持85–90%的容量。•硬碳负极的容量为250–350毫安时/克，循环后的容量保留率在80–90%之间。•经过优化的钠离子电池在用于固定式储能应用时，循环次数可超过2000次。

引言
随着全球对可持续能源需求的增加、化石燃料的局限性以及通过可持续能源解决方案应对气候变化的必要性，人们对先进储能技术的研究日益深入。电化学电池作为一种能够储存电能的装置，为间歇性可再生能源（如太阳能和风能）的有效并入电网提供了灵活可靠的解决方案。凭借其较高的能量密度、较长的循环寿命以及成熟的制造工艺，锂离子电池目前是商业领域中最广泛使用的电池类型。然而，锂离子电池的使用仍面临诸多限制，包括锂资源供应有限、分布不均，以及锂的价格相比其他金属和电池材料相对较高。鉴于这些问题，人们开始积极探索能够提供可持续、低成本且大规模电能储存方式的替代电池化学体系[1]、[2]、[3]。

在这种背景下，钠离子电池逐渐成为一种可行的替代技术。钠资源丰富且成本低廉，这有望使得钠离子电池构成的储能系统比锂离子电池更具成本优势，同时依然遵循基本的电化学原理。钠离子电池的工作原理是通过在正极与负极之间嵌入和脱出钠离子来实现电能的储存与释放，因此可以利用现有的锂离子电池生产工艺轻松制造。不过，由于钠离子的尺寸较大，相较于锂离子，钠离子的扩散速度较慢，这可能导致电极材料中的结构不稳定，进而影响能量密度、充放电速率以及循环寿命[4]、[5]。

为克服这些局限，研究人员一直在开发先进的电极材料。高性能正极材料，如层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物以及普鲁士蓝类似物，已被证明具有更高的容量和稳定性；而一些负极材料，包括硬碳和合金基复合材料，则有助于提升钠离子的储存能力及循环性能[6]、[7]。电解质工程也发挥着重要作用，它涉及水系、非水系、离子液体以及固态电解质等多种类型的电解质，有助于提高钠离子电池的安全性和运行稳定性，同时控制固体电解质界面层的形成[3]、[6]、[7]。

钠离子电池的商业化进程正在加速，许多公司正在研发用于电网级储能或电动出行领域的产品。不过，在实现全电池优化、降低成本、推动电池回收以及使其电化学性能接近锂离子电池之前，还有许多问题需要解决[2]。未来的研究重点将放在新型材料的开发上，例如高熵材料，以及创新性的电池设计及制造方法，以实现规模化生产，并进一步阐明电化学行为的机制，这些都是充分发挥钠离子电池作为可持续、可规模化储能装置潜力所必需的[8]。

最近的深入分析表明，钠离子电池的研究正从单一部件的开发转向对整个电池系统的系统性优化。目前的策略侧重于智能开发正极和负极材料、优化电解质设计以及调控界面特性，从而同时提升钠离子的传输效率、电池的稳定性、循环寿命以及能量密度。包括缺陷工程、异质结构设计、纳米结构化以及表面改性在内的先进材料工程方法，有望有效解决因钠离子半径较大而带来的诸多问题，推动钠离子电池的商业化发展[9]、[10]。此外，最新的分析还强调了先进的表征技术、借助人工智能的材料发现方法以及合理的界面工程设计在推动钠离子电池技术发展中的重要性。将计算材料设计与实验优化相结合，有助于快速获得高性能的正极、负极和电解质材料，同时了解实际使用条件下的失效机制。所有这些方法对于将钠离子电池从实验室推向广泛应用的商业储能技术都具有重要意义[11]、[12]。

总体而言，钠离子电池是锂离子电池技术的一种极具吸引力的替代方案，它有潜力解决当前锂离子电池在可持续性、成本以及规模化应用等方面面临的诸多问题（见图1）。通过本综述，旨在帮助读者更好地了解钠离子电池的基本原理、电极与电解质材料、电池设计、性能指标以及潜在的新兴市场，同时介绍最新进展以及该领域仍需解决的挑战。

尽管钠离子电池的研究已取得显著进展，但现有的许多综述文章主要聚焦于电池的各个单独组成部分，如正极、负极或电解质。与此不同，本综述从整体角度出发，系统地将钠离子储存的基本电化学机制与材料工程、界面调控、电解质设计、隔膜开发以及电池结构优化方面的最新进展联系起来。本文特别强调理解离子传输动力学、电极材料的结构演变以及界面稳定性之间的相互关系，因为这三者共同决定了电池的性能。此外，本文还介绍了诸如缺陷工程、异质结构设计、纳米结构材料、先进表征技术以及人工智能辅助材料发现等新兴研究方向。通过整合最新研究成果，并从科学和技术层面识别关键挑战，本文为高性能钠离子电池的研发与商业化提供了一个统一的框架和未来发展方向。

更深入的分析表明，仅依靠材料层面的改进并不足以最大化钠离子电池的电化学性能。作者认为，钠离子电池的未来发展离不开对材料结构、离子传输以及界面稳定性之间相互作用的理解。因此，未来的研究应超越单纯的材料开发，转向更为综合的设计策略，同时优化多个性能参数，从而实现高效能的钠离子电池系统。

章节摘录
**钠离子电池的基本原理**
钠离子电池的工作过程与锂离子电池类似，在放电和充电过程中，钠离子会通过电解质在正极和负极之间移动[13]、[14]。钠离子促使用作正极材料的层状过渡金属氧化物化合物以及用作负极材料的硬碳发生嵌入和脱出反应。

**钠离子电池用的材料**
钠离子电池的性能还受到正极、负极、电解质以及电池其他组件之间相互作用的影响。常用的正极材料包括层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物以及普鲁士蓝类似物，这些材料虽然具有容量高、结构与电化学稳定性好以及输出电压高等优点，但也存在与各自相变相关的难题，以及电子传导性方面的限制。

**钠离子电池的架构与结构**
由于成本更低、更环保，且钠资源丰富，钠离子电池越来越受到青睐。由于钠在全球范围内都有供应，因此钠离子电池非常适合用于大型储能应用，比如稳定电网以及整合可再生能源。不过，由于钠的离子半径大于锂（Na+为1.02埃，Li+为0.76埃），钠离子的传输能力存在明显限制。

**钠离子电池的电化学性能**
钠离子电池的电化学性能直接影响其在固定式储能系统、电网应用以及新型交通工具中的应用效果。与锂离子电池相比，钠离子电池存在一些固有缺陷。例如，钠的离子半径为1.02埃，大于锂的离子半径，且原子质量也更高。这两点直接影响了离子的扩散速率、电极的结构完整性以及电池的总能量密度。

**钠离子电池的储能与电网应用**
钠离子电池是一种具有颠覆性的技术，具备大规模储能和电网应用潜力，因其低成本、丰富的资源供应以及良好的安全性而备受关注。与依赖地理上分布有限的锂和钴资源的锂离子电池不同，钠离子电池可以利用容易获取的钠资源，因此尤其适合那些对单位能耗成本要求较高的固定式储能系统。许多最新的技术经济研究表明……

**纳米材料与纳米结构电极**
钠离子电池领域的纳米材料研究已从单纯的结构设计（即材料科学层面）发展为以功能为导向的纳米工程，通过协同调控材料的形态、成分以及界面化学性质来提升性能。杂原子掺杂剂（氮、硫、磷、硼）已被证明能够提高导电性并增加活性位点；不过，更深入的综述表明，杂原子带来的性能提升大多源于……

**钠离子电池的环境与经济考量**
人们会对各种正极和负极材料、电解质、隔膜以及集流体进行评估，以了解它们在钠离子电池中的电化学性能及实际应用价值。这些信息有助于明确各类材料及其相关工程技术的优缺点，从而优化钠离子电池的性能。已有研究对多种钠离子电池材料的电化学性能进行了详细比较，给出了具有代表性的具体数值。

**低能量密度问题**
低能量密度是钠离子电池面临的最常见挑战之一，这限制了其在需要高能量密度应用中的使用。钠离子电池能量密度较低，主要是因为钠离子的离子半径较大，原子质量也高于锂离子，这使得钠离子难以有效嵌入电极材料，且在材料中的扩散速度也更慢。尽管最近在正极材料方面取得了一些进展，但……

**下一代钠离子电池**
下一代钠离子电池主要是为了解决钠离子因离子半径较大、扩散速率较慢而带来的尺寸和动力学方面的问题而研发的。许多最新研究致力于开发新的正极材料，如层状氧化物和聚阴离子化合物（例如NASICON型结构，也就是普鲁士蓝类似物），这类材料具有更好的结构稳定性和更高的工作电压[3]。在负极方面，硬碳仍是最主流的选择。

**结论**
由于钠资源天然丰富、成本低廉且分布广泛，钠离子电池已成为最具前景的下一代电化学储能技术之一。在正极材料、硬碳及合金基负极、电解质工程、隔膜技术以及电池设计等方面的重大进展，显著提升了钠离子电池的电化学性能、安全性以及循环稳定性。最近的研发成果……

**伦理审批声明（如适用）**
本研究未涉及人类受试者或动物实验。

**原创性声明**
本手稿为原创内容，此前未曾发表，也未被其他机构考虑发表。

**人工智能使用说明（如适用）**
在数据生成、分析或解释过程中均未使用人工智能技术。

**CRediT作者贡献说明**
Divya Bajpai Tripathy：负责初稿撰写；Subhalaxmi Pradhan：负责审阅与编辑；Pooja Agarwal：负责审阅与编辑。

**参与同意声明**
无需同意。

**出版同意声明**
所有作者均已阅读并同意该手稿的最终版本。

**投稿声明**
本手稿此前未曾发表，也未被其他机构考虑发表。

**资金支持声明**
本研究未获得任何来自公共部门、商业机构或非营利组织的资助。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Divya Bajpai Tripathy|Subhalaxmi Pradhan|Pooja Agarwal