展望低温SIBs前景，深挖电极与电解质协同效应

第一作者：仇霞

通讯作者：陈亚鑫*，石利泺*，鞠治成*

单位：中国矿业大学，徐州工程学院

凭借低温耐受性，钠离子电池（SIBs）被认为是锂离子电池在高纬度、高寒、深空和深地环境的补充。然而，由于电极材料Na⁺扩散动力学迟缓和不稳定的电极-电解液界面反应，SIBs的低温性能仍然是一个挑战。因此，电极设计和电解液优化对提升SIBs低温性能具有重大意义。在这篇综述中，重点强调低温SIBs的电解液、负极和正极材料的研究和挑战，重点关注电极材料中的Na⁺存储机制和电解液的组成。此外，还总结了提高低温性能的相关策略，包括选择钠盐阴离子、使用多溶剂组分和在电解液中添加添加剂；以及正极的缺陷、界面和纳米结构工程；负极的形态、元素掺杂和孔结构工程。最后，综述深入分析了溶剂化的Na⁺结构和电极/电解液界面机制，并为电极材料的设计提供了见解，旨在促进SIBs在低温条件下的性能提升与应用。

近日，中国矿业大学的陈亚鑫、鞠治成教授、徐州工程学院石利泺博士，在国际期刊Energy Storage Mater.上发表题为“Research on Low-Temperature Sodium-Ion Batteries: Challenges, Strategies and Prospect”的文章，硕士研究生仇霞为第一作者。该文章分析了目前低温钠离子电池电解液、正极和负极面临的问题、挑战和策略，从材料设计的角度对钠离子电池系统的低温性能进行了综述，特别关注了硬炭负极的机理和设计策略。针对商业上相对未开发领域可用的硬炭负极，提供全面的分析。

由于较小的层间距，石墨无法在层间嵌入Na⁺，石墨负极显示出有限的容量。相反，硬炭具有相对较大的层间距、丰富的边缘和表面缺陷以及纳米孔结构，这些结构有助于离子存储和传输，实现高容量和长循环寿命，使其成为碱金属离子电池有前途的负极材料。

扩大石墨区域和设计纳米结构是改善低温性能的常见且有效策略。将硬炭材料设计为SIBs的负极可以提高SIBs在低温下的电化学性能，例如加速反应动力学、长期循环和倍率性能。（1）扩大层间距和创造具有内在驱动潜力的异质原子结构，旨在增强材料内部离子的扩散动力学，从而提高其电化学性能。例如，锌掺杂通常可以产生局部电场，以实现快速的体积Na⁺传输，并且原子级整合的优化策略扩大了石墨区域，并作为推动离子内部扩散的驱动力。（2）设计微/纳米级层次结构可以在颗粒尺寸和电化学性能之间取得微妙的平衡。这种方法有效地缩短了扩散路径，同时减轻了纳米结构中常见的对表面副反应的高反应性。例如，硬炭的超微孔（<0.5纳米）可以作为离子筛，减少溶剂化Na⁺的扩散，但允许裸露的Na⁺进入孔内，这可以在不牺牲快速扩散动力学的情况下减少电解液与内孔之间的界面接触。

离子掺杂在增强晶体结构的稳定性、提高本征电子导电性和减轻Na⁺在材料内扩散的能量障碍方面是有效的。离子的引入可以有效地增加层间间距，产生更快的Na⁺扩散动力学，减少连续固溶体反应中的相变。表面包覆在促进钠离子在电极和电解质界面上的顺利迁移方面起着关键作用。通过有效地降低离子迁移的能量屏障，这些包覆层可作为防止不良结构相变的屏障。结构调控的正极材料利用精确的晶体学控制和利用超细纳米尺度效应来显着增强离子和电子的导电性。这种细致的调控通过促进材料结构内的无缝离子迁移和电子转移途径，提高了电极反应的速度和效率。

当前对低温钠离子电池电解液和电极界面的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。对于电解液而言，进一步研究溶剂化Na⁺结构和电极/电解质界面机理之间的低温钠离子电池将是未来研究的一个富有成效的方向。对于正极材料而言，提高低温性能的关键在于减缓相变，而这可以通过纳米结构、表面涂层和金属离子掺杂的协同作用来有效实现。相比之下，对碳负极材料的深入研究仍然相对缺乏。与炭负极匹配的全电池在低温下表现出较差的电化学性能。而关键在于提高负极在低温下的容量保持率。然而，针对解决动力学缓慢和离子导电性低等问题的炭负极结构工程处于瓶颈。因此优化离子扩散路径对于提高碳负极的低温性能至关重要，这可能会在开发具有优越低温特性的钠离子电池方面带来重要的突破。

Research on Low-Temperature Sodium-Ion Batteries: Challenges, Strategies and Prospect