高比能钠离子电池预钠化技术研究进展

徐铭礼 刘猛闯 杨泽洲 吴晨 钱江锋

引用本文: 徐铭礼, 刘猛闯, 杨泽洲, 吴晨, 钱江锋. 高比能钠离子电池预钠化技术研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(3): 221004. doi: 10.3866/PKU.WHXB202210043 shu
Citation:  Mingli Xu, Mengchuang Liu, Zezhou Yang, Chen Wu, Jiangfeng Qian. Research Progress on Presodiation Strategies for High Energy Sodium-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(3): 221004. doi: 10.3866/PKU.WHXB202210043 shu

高比能钠离子电池预钠化技术研究进展

    通讯作者: 钱江锋, jfqian@whu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22075216

    国家自然科学基金 22279093

    湖北省自然科学基金 2022CFB096

    中央高校基本科研基金 2042021kf0194

摘要: 钠离子电池有望取代锂离子电池实现大规模储能应用。然而,储钠负极材料具有较低的初始库伦效率,制约了高比能钠离子电池的开发。预钠化技术被认为是补偿负极活性钠损失、提升电池能量密度的最直接有效的方法,对于钠离子电池的商业化应用具有重要意义。本文全面总结近年来预钠化技术的最新研究进展,包括短接法预钠化、电化学预钠化、钠金属物理预钠化、化学预钠化和正极补钠添加剂等,并从反应原理、安全性、可操作性、处理效率和可放大性等角度分析讨论现有各技术方案的优势及面临的挑战;着重介绍化学预钠化和正极补钠添加剂,这两类最具应用前景的预钠化技术的最新成果,进而从实用化角度深入探讨仍待解决的科学问题和技术难点。本文可为预钠化技术的进一步优化和高比能钠离子电池的开发提供思路。

English

    1. [1]

      Gogotsi, Y.; Simon, P. Science 2011, 334, 917. doi: 10.1126/science.1213003

    2. [2]

      Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. M. Science 2011, 334, 928. doi: 10.1126/science.1212741

    3. [3]

      Kundu, D.; Talaie, E.; Duffort, V.; Nazar, L. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3431. doi: 10.1002/anie.201410376

    4. [4]

      Nayak, P. K.; Yang, L.; Brehm, W.; Adelhelm, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 102. doi: 10.1002/anie.201703772

    5. [5]

      曹鑫鑫, 周江, 潘安强, 梁叔全. 物理化学学报, 2020, 36, 1905018. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905018Cao, X.; Zhou, J.; Pan, A.; Liang, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905018. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905018

    6. [6]

      吴晨, 钱江锋, 杨汉西. 中国科学: 化学, 2017, 47, 603. doi: 10.1360/N032016-00218Wu, C.; Qian, J.; Yang, H. Sci. Sin. Chim. 2017, 47, 603. doi: 10.1360/N032016-00218

    7. [7]

      Qian, J. F.; Wu, C.; Cao, Y. L.; Ma, Z. F.; Huang, Y. H.; Ai, X. P.; Yang, H. X. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702619. doi: 10.1002/aenm.201702619

    8. [8]

      曹斌, 李喜飞. 物理化学学报, 2020, 36, 1905003. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905003Cao, B.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905003. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905003

    9. [9]

      Liang, J. -M.; Zhang, L. -J.; XiLi, D. -G.; Kang, J. Rare Met. 2020, 39, 1005. doi: 10.1007/s12598-020-01453-x

    10. [10]

      Delmas, C. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703137. doi: 10.1002/aenm.201703137

    11. [11]

      Qian, J.; Xiong, Y.; Cao, Y.; Ai, X.; Yang, H. Nano Lett. 2014, 14, 1865. doi: 10.1021/nl404637q

    12. [12]

      Qian, J. F.; Chen, Y.; Wu, L.; Cao, Y. L.; Ai, X. P.; Yang, H. X. Chem. Commun. 2012, 48, 7070. doi: 10.1039/c2cc32730a

    13. [13]

      Patra, J.; Huang, H. -T.; Xue, W.; Wang, C.; Helal, A. S.; Li, J.; Chang, J. -K. Energy Storage Mater. 2019, 16, 146. doi: 10.1016/j.ensm.2018.04.022

    14. [14]

      He, H.; Sun, D.; Tang, Y.; Wang, H.; Shao, M. Energy Storage Mater. 2019, 23, 233. doi: 10.1016/j.ensm.2019.05.008

    15. [15]

      Holtstiege, F.; Bärmann, P.; Nölle, R.; Winter, M.; Placke, T. Batteries 2018, 4, 4. doi: 10.3390/batteries4010004

    16. [16]

      Aravindan, V.; Lee, Y. -S.; Madhavi, S. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602607. doi: 10.1002/aenm.201602607

    17. [17]

      Zou, K.; Deng, W.; Cai, P.; Deng, X.; Wang, B.; Liu, C.; Li, J.; Hou, H.; Zou, G.; Ji, X. Adv. Funct. Mater. 2020, 31, 2005581. doi: 10.1002/adfm.202005581

    18. [18]

      Dewar, D.; Glushenkov, A. M. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 1380. doi: 10.1039/d0ee02782k

    19. [19]

      Moeez, I.; Jung, H. G.; Lim, H. D.; Chung, K. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 41394. doi: 10.1021/acsami.9b14381

    20. [20]

      Wu, J. X.; Lin, C.; Liang, Q. H.; Zhou, G. D.; Liu, J. P.; Liang, G. M.; Wang, M.; Li, B. H.; Hu, L.; Ciucci, F.; et al. Infomat 2022, 4, e12288. doi: 10.1002/inf2.12288

    21. [21]

      Yang, Y.; Wei, W. -F. Rare Met. 2020, 39, 332. doi: 10.1007/s12598-020-01403-7

    22. [22]

      Cohn, A. P.; Muralidharan, N.; Carter, R.; Share, K.; Pint, C. L. Nano Lett. 2017, 17, 1296. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b05174

    23. [23]

      Wang, H.; Xiao, Y.; Sun, C.; Lai, C.; Ai, X. RSC Adv. 2015, 5, 106519. doi: 10.1039/c5ra21235a

    24. [24]

      Pi, Y.; Gan, Z.; Yan, M.; Pei, C.; Yu, H.; Ge, Y.; An, Q.; Mai, L. Chem. Eng. J. 2021, 413, 127565. doi: 10.1016/j.cej.2020.127565

    25. [25]

      Bublil, S.; Leifer, N.; Nanda, R.; Elias, Y.; Fayena-Greenstein, M.; Aurbach, D.; Goobes, G. J. Solid State Chem. 2021, 298, 122121. doi: 10.1016/j.jssc.2021.122121

    26. [26]

      Ma, R.; Fan, L.; Chen, S.; Wei, Z.; Yang, Y.; Yang, H.; Qin, Y.; Lu, B. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 15751. doi: 10.1021/acsami.8b03648

    27. [27]

      de la Llave, E.; Borgel, V.; Park, K. J.; Hwang, J. Y.; Sun, Y. K.; Hartmann, P.; Chesneau, F. F.; Aurbach, D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 1867. doi: 10.1021/acsami.5b09835

    28. [28]

      Shen, F.; Luo, W.; Dai, J.; Yao, Y.; Zhu, M.; Hitz, E.; Tang, Y.; Chen, Y.; Sprenkle, V. L.; Li, X.; et al. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600377. doi: 10.1002/aenm.201600377

    29. [29]

      Sun, D.; Zhu, X.; Luo, B.; Zhang, Y.; Tang, Y.; Wang, H.; Wang, L. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801197. doi: 10.1002/aenm.201801197

    30. [30]

      Jian, Z.; Sun, Y.; Ji, X. Chem. Commun. 2015, 51, 6381. doi: 10.1039/c5cc00944h

    31. [31]

      Mirza, S.; Song, Z.; Zhang, H.; Hussain, A.; Zhang, H.; Li, X. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 23368. doi: 10.1039/d0ta08186h

    32. [32]

      Tang, J.; Kye, D. K.; Pol, V. G. J. Power Sources 2018, 396, 476. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.06.067

    33. [33]

      Zhang, B.; Dugas, R.; Rousse, G.; Rozier, P.; Abakumov, A. M.; Tarascon, J. M. Nat. Commun. 2016, 7, 10308. doi: 10.1038/ncomms10308

    34. [34]

      Liu, W.; Chen, X.; Zhang, C.; Xu, H.; Sun, X.; Zheng, Y.; Yu, Y.; Li, S.; Huang, Y.; Li, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 23207. doi: 10.1021/acsami.9b05005

    35. [35]

      Li, Y.; Fitch, B. Electrochem. Commun. 2011, 13, 664. doi: 10.1016/j.elecom.2011.04.003

    36. [36]

      Vaughey, J. T.; Liu, G.; Zhang, J. -G. MRS. Bull. 2014, 39, 429. doi: 10.1557/mrs.2014.88

    37. [37]

      Xiao, B.; Soto, F. A.; Gu, M.; Han, K. S.; Song, J.; Wang, H.; Engelhard, M. H.; Murugesan, V.; Mueller, K. T.; Reed, D.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801441. doi: 10.1002/aenm.201801441

    38. [38]

      Shen, Y.; Zhang, J.; Pu, Y.; Wang, H.; Wang, B.; Qian, J.; Cao, Y.; Zhong, F.; Ai, X.; Yang, H. ACS Energy Lett. 2019, 4, 1717. doi: 10.1021/acsenergylett.9b00889

    39. [39]

      Wu, C.; Hu, J.; Ye, L.; Su, Z.; Fang, X.; Zhu, X.; Zhuang, L.; Ai, X.; Yang, H.; Qian, J. ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 16384. doi: 10.1021/acssuschemeng.1c06278

    40. [40]

      Cao, Y.; Zhang, T.; Zhong, X.; Zhai, T.; Li, H. Chem. Commun. 2019, 55, 14761. doi: 10.1039/c9cc06581d

    41. [41]

      Liu, X.; Tan, Y.; Liu, T.; Wang, W.; Li, C.; Lu, J.; Sun, Y. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1903795. doi: 10.1002/adfm.201903795

    42. [42]

      Liu, M.; Zhang, J.; Guo, S.; Wang, B.; Shen, Y.; Ai, X.; Yang, H.; Qian, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 17620. doi: 10.1021/acsami.0c02230

    43. [43]

      Liu, M.; Yang, Z.; Shen, Y.; Guo, S.; Zhang, J.; Ai, X.; Yang, H.; Qian, J. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 5639. doi: 10.1039/d0ta10880d

    44. [44]

      Li, F. F.; Yu, X. F.; Tang, K.; Peng, X. Y.; Zhao, Q. Q.; Li, B. J. Appl. Electrochem. 2022, doi: 10.1007/s10800-022-01754-2

    45. [45]

      Sun, Y. M.; Li, Y. B.; Sun, J.; Li, Y. Z.; Pei, A.; Cui, Y. Energy Storage Mater. 2017, 6, 119. doi: 10.1016/j.ensm.2016.10.004

    46. [46]

      Singh, G.; Acebedo, B.; Cabanas, M. C.; Shanmukaraj, D.; Armand, M.; Rojo, T. Electrochem. Commun. 2013, 37, 61. doi: 10.1016/j.elecom.2013.10.008

    47. [47]

      Martinez De Ilarduya, J.; Otaegui, L.; López del Amo, J. M.; Armand, M.; Singh, G. J. Power Sources 2017, 337, 197. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.10.084

    48. [48]

      Guo, Y. J.; Niu, Y. B.; Wei, Z.; Zhang, S. Y.; Meng, Q.; Li, H.; Yin, Y. X.; Guo, Y. G. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 2772. doi: 10.1021/acsami.0c20870

    49. [49]

      Zhang, Q.; Gao, X. -W.; Shi, Y.; Luo, W. -B.; Li, Y.; Gu, Q. -F.; Fan, H. -N.; Li, F.; Liu, H. -K. Energy Storage Mater. 2021, 39, 54. doi: 10.1016/j.ensm.2021.04.011

    50. [50]

      Sathiya, M.; Thomas, J.; Batuk, D.; Pimenta, V.; Gopalan, R.; Tarascon, J. -M. Chem. Mater. 2017, 29, 5948. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b01542

    51. [51]

      Jo, C. -H.; Choi, J. U.; Yashiro, H.; Myung, S. -T. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 3903. doi: 10.1039/c8ta09833f

    52. [52]

      Jeżowski, P.; Crosnier, O.; Brousse, T. Open Chem. 2021, 19, 432. doi: 10.1515/chem-2021-0040

    53. [53]

      Jeżowski, P.; Chojnacka, A.; Pan, X.; Béguin, F. Electrochim. Acta 2021, 375, 137980. doi: 10.1016/j.electacta.2021.137980

    54. [54]

      Park, K.; Yu, B. -C.; Goodenough, J. B. Chem. Mater. 2015, 27, 6682. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02684

    55. [55]

      Shen, B.; Zhan, R.; Dai, C.; Li, Y.; Hu, L.; Niu, Y.; Jiang, J.; Wang, Q.; Xu, M. J. Colloid Interface Sci. 2019, 553, 524. doi: 10.1016/j.jcis.2019.06.056

    56. [56]

      Pan, X.; Chojnacka, A.; Jeżowski, P.; Béguin, F. Electrochim. Acta 2019, 318, 471. doi: 10.1016/j.electacta.2019.06.086

    57. [57]

      Liu, X.; Tan, Y.; Wang, W.; Wei, P.; Seh, Z. W.; Sun, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 27057. doi: 10.1021/acsami.1c05144

    58. [58]

      Zou, K.; Cai, P.; Tian, Y.; Li, J.; Liu, C.; Zou, G.; Hou, H.; Ji, X. Small Methods 2020, 4, 1900763. doi: 10.1002/smtd.201900763

    59. [59]

      Marelli, E.; Marino, C.; Bolli, C.; Villevieille, C. J. Power Sources 2020, 450, 227617. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227617

    60. [60]

      Zou, K.; Song, Z.; Gao, X.; Liu, H.; Luo, Z.; Chen, J.; Deng, X.; Chen, L.; Zou, G.; Hou, H.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17070. doi: 10.1002/anie.202103569

    61. [61]

      Zou, K.; Song, Z.; Liu, H.; Wang, Y.; Massoudi, A.; Deng, W.; Hou, H.; Zou, G.; Ji, X. J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 11968. doi: 10.1021/acs.jpclett.1c03078

    62. [62]

      Jo, J. H.; Choi, J. U.; Park, Y. J.; Zhu, J.; Yashiro, H.; Myung, S. T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 5957. doi: 10.1021/acsami.8b18488

    63. [63]

      Jo, J. H.; Choi, J. U.; Park, Y. J.; Ko, J. K.; Yashiro, H.; Myung, S. -T. Energy Storage Mater. 2020, 32, 281. doi: 10.1016/j.ensm.2020.07.002

    64. [64]

      Shanmukaraj, D.; Kretschmer, K.; Sahu, T.; Bao, W.; Rojo, T.; Wang, G.; Armand, M. ChemSusChem 2018, 11, 3286. doi: 10.1002/cssc.201801099

    65. [65]

      Martínez De Ilarduya, J.; Otaegui, L.; Galcerán, M.; Acebo, L.; Shanmukaraj, D.; Rojo, T.; Armand, M. Electrochim. Acta 2019, 321, 134693. doi: 10.1016/j.electacta.2019.134693

    66. [66]

      Shen, X.; Zhao, J.; Li, Y.; Sun, X.; Yang, C.; Liu, H.; Hu, Y. -S. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 7474. doi: 10.1021/acsaem.9b01458

    67. [67]

      Pan, X.; Chojnacka, A.; Béguin, F. Energy Storage Mater. 2021, 40, 22. doi: 10.1016/j.ensm.2021.04.048

    68. [68]

      Niu, Y. B.; Guo, Y. J.; Yin, Y. X.; Zhang, S. Y.; Wang, T.; Wang, P.; Xin, S.; Guo, Y. G. Adv. Mater. 2020, 32, e2001419. doi: 10.1002/adma.202001419

    69. [69]

      Fernandez-Ropero, A. J.; Zarrabeitia, M.; Baraldi, G.; Echeverria, M.; Rojo, T.; Armand, M.; Shanmukaraj, D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 11814. doi: 10.1021/acsami.0c20542

    70. [70]

      陈杰, 陈伟伦, 张旭, 周晏玮, 张五星. 储能科学与技术2022, 11, 3487. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0332Chen, J.; Chen, W. L.; Zhang, X.; Zhou, Y. W.; Zhang, W. X. Energy Storage Sci. Technol. 2022, 11, 3487. doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0332

    71. [71]

      Song, Z.; Zou, K.; Xiao, X.; Deng, X.; Li, S.; Hou, H.; Lou, X.; Zou, G.; Ji, X. Chem 2021, 27, 16082. doi: 10.1002/chem.202102433

    72. [72]

      Zhang, T.; Wang, R.; He, B.; Jin, J.; Gong, Y.; Wang, H. Electrochem. Commun. 2021, 129, 107090. doi: 10.1016/j.elecom.2021.107090

    73. [73]

      Liu, X.; Liu, T.; Wang, R.; Cai, Z.; Wang, W.; Yuan, Y.; Shahbazian-Yassar, R.; Li, X.; Wang, S.; Hu, E.; et al. ACS Energy Lett. 2020, 6, 320. doi: 10.1021/acsenergylett.0c02487

    74. [74]

      Feng, J.; Ci, L.; Xiong, S. RSC Adv. 2015, 5, 96649. doi: 10.1039/C5RA19988C

    75. [75]

      聂平, 徐桂银, 蒋江民, 王江, 付瑞瑞, 方姗, 窦辉, 张校刚. 储能科学与技术, 2017, 6, 889. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0088Nie, P, ; Xu, G. Y.; Jiang, J. M.; Wang, J.; Fu, R. R.; Fang, S.; Dou, H.; Zhang, X. G. Energy Storage Sci. Technol. 2017, 6, 889. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0088

    76. [76]

      Jin, L.; Shen, C.; Shellikeri, A.; Wu, Q.; Zheng, J.; Andrei, P.; Zhang, J. -G.; Zheng, J. P. Energy Environ. Sci. 2020, 13, 2341. doi: 10.1039/D0EE00807A

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  100
  • 文章访问数:  1830
  • HTML全文浏览量:  418
文章相关
  • 发布日期:  2023-03-15
  • 收稿日期:  2022-10-31
  • 接受日期:  2022-12-02
  • 修回日期:  2022-11-27
  • 网络出版日期:  2022-12-09
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章