王志明/窦士学EnSM：用于先进钠硫系电池的纤维正极材料

具有快速电子/离子传输、长时间循环稳定性、高容量和优异倍率性能的纤维硫系正极材料的最新进展为下一代高性能钠离子存储技术带来了新的机遇。

电子科技大学王志明、澳大利亚卧龙岗大学窦士学等重点介绍了用于高级原型钠硫电池的纤维正极材料的最新关键进展，包括Na-S电池、Na-Se电池、Na-Se_xS_y电池和Na-Te电池。

首先，详细描述了纤维材料在组成、结构和性能方面的基本优势，以概括对它们的认识。接下来，定性地总结了纤维硫系正极材料的制备技术，重点讨论了纤维基材。然后，从纤维正极材料的合理合成、结构设计与优化、基本性能和电化学性能等方面对纤维正极材料在钠硫系电池中的应用进行了全面的讨论。最后，对先进钠硫系电池纤维正极材料的未来发展进行了简要总结和展望，旨在提供有用的指导。

作者指出钠硫系电池中纤维正极材料未来发展的几个重要方面：

（1）对于纤维基体，纳米多孔结构设计需要合理化。目前，纳米孔的创建旨在为硫族元素提供可用的容纳空间，并限制其中间产物在（脱）钠过程中的扩散。在这方面，应生成更多的纳米空隙，以充分封装更多活性材料。同时，纳米孔隙的存在可以使活性材料与电解液离子有更充分的接触，从而产生更好的比容量。然而，过多的纳米孔容易导致整个电池的体积能量密度降低，因为这些孔容易被电解液填充，从而降低整个电极材料的振实密度，并加速活性材料的不可逆损失。

图1 碳纳米管衍生的纤维基材

（2）纤维材料需要扩展到钠金属负极。纤维材料的主要功能优势之一是能够实现柔性电池装置。到目前为止，在钠硫系电池中，纤维材料构成的柔性电池的研究主要集中在硫系正极上，而关于纤维钠金属负极的报道很少。柔性和可折叠电池需要自支撑正极和负极材料作为其构件。在未来几年中，应更多地关注纤维状钠金属负极的合理结构以及功能化设计策略，尤其是稳定和坚固的钠金属对电子/离子导电性、机械柔性、均匀分布的成核位置、安全考虑、压力缓冲能力等。

图2 源自电纺纳米纤维的各种纳米结构

（3）应进一步探索钠硫系化学的共识。虽然纤维材料的采用极大地推动了钠硫系电池性能的提高，但对其固有能量化学，包括电化学原理、反应动力学、固体离子扩散和界面问题等，还没有相对全面的了解。在这些钠硫系化学中，迫切需要建立一些共识。因此，应采用一些有用的表征方法和技术，包括非原位/原位XRD、Raman、TEM、XPS、GITT和密度泛函理论等，并适当结合以帮助揭示内在机理。

图3 纤维素衍生的纤维材料

（4）需要对纤维材料进行大规模生产和评估，以扩大应用范围。材料科学与工程的最终发展目标应该是为实际应用创造实用价值。因此，鉴于纤维材料的优越性能和硫族元素电极的高性能，应开发先进的制造技术，大规模、低成本地生产纤维硫族元素基材料，以促进随后电池装置的商业化。

同时，这些材料在实用条件下的整体性能也必须在工业电池水平上进行评估，如软包电池，而不是目前实验室水平的纽扣电池。在这种情况下，可以理清电极材料规模化生产中存在的一些问题，研究人员可以相应地寻求高效的方法来解决这些问题，从而促进电极材料的逐步工业化。此外，还应确定一些标准参数，如工作温度、电压窗口、能量密度、电解液/硫系比、面积负载量等。

Fibrous cathode materials for advanced sodium-chalcogen batteries. Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.045

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