周豪慎&郭少华Chem. Soc. Rev.: 用于钠离子电池的先进无钴正极材料

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周豪慎&郭少华Chem. Soc. Rev.: 用于钠离子电池的先进无钴正极材料
锂离子电池的两种最重要的金属元素（锂和钴）急剧增加的需求/成本和有限的储量引起了对未来发展的担忧。配备先进无钴正极的钠离子电池（SIBs）在解决“锂恐慌”和“钴恐慌”方面显示出巨大潜力，然而目前几乎没有专门的评论文章关注SIBs无钴正极的进展。
周豪慎&郭少华Chem. Soc. Rev.: 用于钠离子电池的先进无钴正极材料
图1. 几种过渡金属元素的价格和丰度以及SIBs无钴正极的研究热度
在此，南京大学周豪慎教授、郭少华教授等人全面回顾了用于先进SIB的高性能无钴正极材料的最新进展，讨论了决定正极结构稳定性的关键因素，并强调了各种提高无钴正极材料结构/电化学稳定性的有效策略。
首先介绍了钴在正极材料中的作用（如严苛的合成条件、复杂相变、电化学性能和空气稳定性方面等），然后概述了典型正极结构（层状氧化物、隧道氧化物、普鲁士蓝和聚阴离子化合物）的固有结构特征和电化学性能，Mn、Fe、Ni、V和 Cr等非钴元素引入正极结构中可以稳定SIB。
接下来讨论了电化学稳定性和相变、粒子裂纹、过渡金属板滑移、晶格畸变、晶格氧氧化和过渡金属迁移/溶解之间的内在关系，以及增强结构和电化学稳定性的策略（结晶度工程、掺杂、复合相、表面/界面工程、价态调控、原子尺度协同作用和形态工程）。
周豪慎&郭少华Chem. Soc. Rev.: 用于钠离子电池的先进无钴正极材料
图2. SIB中先进无钴正极材料的内在挑战和开发策略
尽管近年来在稳定SIBs的无钴正极材料方面取得了巨大进步，但未来仍需进一步考虑以下问题：
（1）仍需要进一步研究机理和材料设计以扩展无钴正极材料家族，提高综合电化学性能；
（2）探索简便/通用的策略并利用协同效应，如同步体掺杂和表面包覆、复合结构的协同效应等；
（3）利用计算工具（机器学习和 DFT计算）和先进的表征技术（原子级分辨率 STEM、中子衍射、软/硬 XAS以及原位/operando表征等）深入了解基本的钠存储机制并探索新的高度稳定的正极材料；
（4）探索工业应用（材料合成、空气稳定性、全电池组装及性能等）。
周豪慎&郭少华Chem. Soc. Rev.: 用于钠离子电池的先进无钴正极材料
图3. 用于SIB的先进无钴正极材料的潜在方向展望
Advanced cobalt-free cathode materials for sodium-ion batteries, Chemical Society Reviews 2021. DOI: 10.1039/D1CS00442E

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