黄维院士/张皝等EES综述：水系钠电池中聚阴离子正极的评估与进展

由于钠丰度高、制造成本低和安全性高，水系钠离子电池（ASIB）有望用于大规模储能应用，迫切需要开发新的、实用且性能优异的正极材料。聚阴离子化合物[如Na₃V₂(PO₄)₃]在非水系电解液钠离子电池中作为正极材料显示出良好的性能，但它们在水系体系中存在局限性。

在此，西北工业大学黄维院士、张皝副教授及德国乌尔姆亥姆霍兹研究所Stefano Passerini教授等人提供了对材料的评估以及聚阴离子型化合物作为ASIB潜在正极材料的最新突破性进展。

首先介绍了当前ASIB的优势与挑战，通过评估电化学性能参数（如能量、功率密度和循环性能）以及对材料可持续性的关键考虑，突出了聚阴离子化合物作为ASIB正极的优势。然后总结并讨论了几种聚阴离子化合物（包括钒基、铁基、锰基等）在材料设计、电解液-电极兼容性、电池运行配置及其电化学性能方面的最新进展。

图1. 代表性聚阴离子化合物的晶体结构

最后，作者展望了将聚阴离子化合物用于电网规模应用的高能水系电池的挑战和研究方向。

一方面由于在水系介质中的稳定性差，材料可能会发生溶解导致容量衰减、循环寿命短等问题。虽然浓缩电解液克服了稀电解液的局限性，但低离子电导率（高粘度）和高成本（昂贵的氟化盐）阻碍了其应用。因此，电极优化和电解液设计对于ASIB至关重要。

另一方面，电极材料的选择仍然非常有限，化学不稳定性强调了当前正极材料对传统水系电解液的不适性，未来应开发具有多电子反应的新材料（如锰基化合物），ASIB仍需要学术界和工业界的进一步研究以实现商业可行性。

图2. 不同ASIB系统中聚阴离子正极材料的性能指标总结

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

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