UT Dallas苏来锁教授团队ESM综述：先进的高压钠离子电池正极：挑战，材料创新，未来方向

第一作者：柯嘉琪

通讯作者：苏来锁*

单位：美国得州大学达拉斯分校

高电压策略被认为是提升能量密度的有效途径，使钠离子电池更具竞争力。然而，高电压正极材料仍然面临相变、电导率低、结构不稳定及循环寿命衰减等关键挑战，严重制约了其实际应用。因此，本研究聚焦于高电压正极材料的优化策略，以应对SIBs在高电压条件下的稳定性和性能瓶颈。

文章系统综述了四类高电压正极材料（层状过渡金属氧化物、多阴离子化合物、隧道结构材料、普鲁士蓝类似物）的结构特性、电化学表现及存在的问题，并探讨了通过掺杂调控、梯度结构设计、表面工程、纳米结构优化及高熵材料策略来提升其稳定性和循环寿命。此外，文章强调了先进表征技术与人工智能（AI）计算工具在材料优化中的作用，为高电压SIBs的设计和性能优化提供了新的思路。本研究不仅梳理了现有高电压正极材料的发展现状，还明确了未来的优化方向，旨在推动SIBs在大规模储能和可再生能源应用中的实际部署。

近日，来自UT Dallas的苏来锁教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Advancing High-Voltage Cathodes for Sodium-Ion Batteries: Challenges, Material Innovations and Future Directions”的观点文章。该文章系统分析了当前主流的高电压钠离子电池正极材料，并总结了近期在材料优化、结构调控及先进表征技术方面的最新进展。

1. 结构稳定性与相变：

   高电压条件下，层状氧化物易发生P2-O2或O3-P3相变，导致容量衰减；

   隧道结构和PBAs也可能因框架畸变影响循环寿命。

2. 氧释放与界面副反应：

   高电压下氧气释放可能引发电解液分解、界面反应加剧，降低电池稳定性。

3. 离子与电子传输受限：

   部分正极材料电子电导率低，钠离子扩散受限，导致倍率性能下降。

4. 体积变化与机械应力：

   钠离子嵌入/脱出引发材料体积膨胀或收缩，影响循环寿命。

5. 过渡金属溶解：

   Mn、Ni等过渡金属可能在电解液中溶解并迁移，破坏电极界面，影响电池寿命。

6. 成本与资源可得性：

   高电压材料依赖Ni、Co等稀缺元素，增加生产成本，限制大规模应用。

1. 层状过渡金属氧化物（Layered Oxides）：

   高比容量、可调节电压，但易发生相变和氧释放。

2. 多阴离子化合物（Polyanionic Compounds）：

   高电压平台和结构稳定性，但电子电导率较低。

3. 隧道结构材料（Tunnel-Structured Materials）：

   离子扩散快、循环寿命长，但比容量有限。

4. 普鲁士蓝类似物（PBAs）：

   三维稳定框架、环境友好，但易受结构水和缺陷影响。

为提升高电压正极材料的稳定性和循环寿命，研究者提出了一系列优化策略。例如，通过掺杂Mg、Ti等元素可优化电子结构，抑制P2-O2或O3-P3相变，从而提高材料的电化学稳定性和工作电压。梯度结构与多相工程的结合，有助于缓解体积膨胀，改善长期循环性能。表面修饰方面，采用无机或有机涂层可有效减少界面副反应，降低过渡金属溶解，提高电极界面的稳定性。纳米结构优化则通过缩小颗粒尺寸，提高电子和离子传输能力，增强倍率性能。此外，高熵材料策略 通过多元素掺杂提升结构无序度，抑制相分离，提高材料在高电压条件下的稳定性。上述优化手段相结合，可有效提升SIBs正极材料的能量密度、倍率性能和循环寿命，为其在储能领域的实际应用提供有力支撑。

未来，高电压正极材料的发展将聚焦于提升能量密度、循环稳定性和倍率性能，以缩小 SIBs 与锂离子电池的性能差距。通过掺杂调控、梯度结构设计、表面工程、纳米优化及高熵材料策略，可进一步改善材料的稳定性和电化学性能。此外，结合先进表征技术和人工智能（AI）辅助计算，将加速新型正极材料的设计与筛选。随着这些技术的进步，高电压 SIBs 有望在大规模储能、可再生能源并网及电动交通等领域发挥关键作用，加快其商业化应用进程。

Advancing High-Voltage Cathodes for Sodium-Ion Batteries: Challenges, Material Innovations and Future Directions