锂离子电池全生命周期安全性演变研究进展介绍

能源与环境问题是21世纪人类面临的重大问题，其中能量的存储与转换至关重要。目前，应用较为广泛的是锂离子电池。但是，锂在地壳中较低的丰度、较高的价格在一定程度上会限制其发展前景。此时，由于钠具有资源丰富、分布均匀以及价格低廉等优势，使得钠离子电池重新回到科研工作者的视野。

钠离子电池是一种“摇椅式”电池，即通过Na+在正负极材料之间的嵌入和脱出实现可逆充放电。但是Na+的尺寸大于Li+，并且具有动力学惰性，因此寻找适合Na+嵌入/脱出的电极材料，尤其是负极材料至关重要。如商业化锂离子电池的负极材料石墨，其层间距为0.34nm，无法承受钠离子的脱嵌。钠离子电池负极材料种类繁多，其中基于多电子转化机制反应的金属化合物类材料因其较高的理论比容量而备受关注，成为研究热点和重点。本文梳理总结了金属化合物转化类材料包括金属氧化物、金属硫化物和金属磷化物的研究进展以及未来的发展前景。

钠离子电池的电化学性能主要取决于正负极材料。但是，钠离子较大的半径使其在电极材料中可逆地嵌入/脱出更为困难。而金属化合物材料作为储钠负极材料时，遵循转化反应机制，表现出较高的理论比容量。

1.金属氧化物

金属氧化物（MOx）以其低廉的价格，较高的理论比容量而得到广泛研究。其储钠机理可分为两类：①当M为电化学非活性元素（如Fe、Co、Ni、Cu等）时，与钠发生转化反应生成M和Na2O，如式(1)所示；②当M为电化学活性元素（如Sn、Sb等）时，先发生转化反应，生成金属单质M和Na2O，而后金属M再与Na进行合金化反应生成NanM。

金属氧化物材料由于自身导电性差以及循环过程中较大的体积膨胀，会破坏电极结构的完整性，导致循环性能和倍率性能较差。一般通过设计制备具有新型微纳结构的金属氧化物，或与导电材料（如碳纳米管、石墨烯等材料）进行复合，抑制体积膨胀，促进离子和电子的传输，从而改善其电化学性能。

2.金属硫化物

作为钠离子电池负极材料，金属硫化物（MSx）同样引起了科研工作者巨大的关注。此种材料主要包括层状的二硫化物（SnS2、MoS2、WS2等）和非层状的硫化物（FeS、NiSx等）。其中，层状二硫化物通常先在高电位发生Na+脱嵌反应，然后在低电位发生转化反应，生成金属单质M和Na2S。其中有些材料如SnS2在更低电位时还发生合金化反应。同样的，与金属氧化物材料类似，金属硫化物在发生转化反应时会有较大的体积变化，影响材料的循环稳定性。

3.金属磷化物

金属磷化物MPx与碱金属（如Li和Na）可发生转化反应，生成M和Li3P或Na3P。金属单质M在Li3P/Na3P相中均匀分散，能够加快Li3P/Na3P氧化反应的动力学过程，从而使得MPx作为电极材料时表现出优异的电化学性能。

作为一种新型储能体系,钠离子电池受到了广泛关注。其中负极材料的研究在很大程度上决定着整个体系的性能。金属化合物负极材料具有较高的理论比容量，是一类理想的钠离子电池负极材料。当然金属化合物负极材料的研发需要克服其本身较低的电子电导率以及转化反应（合金化反应）过程中较大的体积变化等难题。构筑更为有效的金属化合物与导电碳材料的复合电极，以及针对性地设计制备微纳结构的电极材料，是解决上述问题，进而提高金属化合物负极储钠容量，改善循环寿命的可行策略。