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黃維院士/張皝等EES綜述：水系鈉電池中聚陰離子正極的評(píng)估與進(jìn)展

由于鈉豐度高、制造成本低和安全性高，水系鈉離子電池（ASIB）有望用于大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用，迫切需要開發(fā)新的、實(shí)用且性能優(yōu)異的正極材料。聚陰離子化合物[如Na₃V₂(PO₄)₃]在非水系電解液鈉離子電池中作為正極材料顯示出良好的性能，但它們?cè)谒刁w系中存在局限性。

在此，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、張皝副教授及德國(guó)烏爾姆亥姆霍茲研究所Stefano Passerini教授等人提供了對(duì)材料的評(píng)估以及聚陰離子型化合物作為ASIB潛在正極材料的最新突破性進(jìn)展。

首先介紹了當(dāng)前ASIB的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，通過評(píng)估電化學(xué)性能參數(shù)（如能量、功率密度和循環(huán)性能）以及對(duì)材料可持續(xù)性的關(guān)鍵考慮，突出了聚陰離子化合物作為ASIB正極的優(yōu)勢(shì)。然后總結(jié)并討論了幾種聚陰離子化合物（包括釩基、鐵基、錳基等）在材料設(shè)計(jì)、電解液-電極兼容性、電池運(yùn)行配置及其電化學(xué)性能方面的最新進(jìn)展。

圖1. 代表性聚陰離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)

最后，作者展望了將聚陰離子化合物用于電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用的高能水系電池的挑戰(zhàn)和研究方向。

一方面由于在水系介質(zhì)中的穩(wěn)定性差，材料可能會(huì)發(fā)生溶解導(dǎo)致容量衰減、循環(huán)壽命短等問題。雖然濃縮電解液克服了稀電解液的局限性，但低離子電導(dǎo)率（高粘度）和高成本（昂貴的氟化鹽）阻礙了其應(yīng)用。因此，電極優(yōu)化和電解液設(shè)計(jì)對(duì)于ASIB至關(guān)重要。

另一方面，電極材料的選擇仍然非常有限，化學(xué)不穩(wěn)定性強(qiáng)調(diào)了當(dāng)前正極材料對(duì)傳統(tǒng)水系電解液的不適性，未來應(yīng)開發(fā)具有多電子反應(yīng)的新材料（如錳基化合物），ASIB仍需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的進(jìn)一步研究以實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行性。

圖2. 不同ASIB系統(tǒng)中聚陰離子正極材料的性能指標(biāo)總結(jié)

Assessment and Progress of Polyanionic Cathodes in Aqueous Sodium Batteries, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01392K

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