An Industrial Pathway to Emerging Presodiation Strategies for Increasing the Reversible Ions in Sodium-Ion Batteries and Capacitors
Jian-Jia Mu, Zhao-Meng Liu, Qing-Song Lai, Da Wang, Xuan-Wen Gao*, Dong-Run Yang, Hong Chen, Wen-Bin Luo*
共同第一作者: 穆建佳、刘孟朝
通讯作者: 高宣雯、骆文彬
通讯单位: 东北大学
DOI: 10.20517/energymater.2022.57
近日，东北大学骆文彬教授团队在Energy Materials上发表了一篇名为“An Industrial Pathway to Emerging Presodiation Strategies for Increasing the Reversible Ions in Sodium-Ion Batteries and Capacitors”的综述型文章。总结了目前钠离子电池/电容器领域新兴的预钠化策略，并针对该领域中关键的科学问题和潜在研究方向进行了展望。东北大学能源电化学与城市矿冶金研究所穆建佳、刘朝孟博士为论文共同第一作者，高宣雯、骆文彬教授为本论文通讯作者。
图文摘要
本文综述了目前已应用于钠离子电池和电容器中的预钠化技术，并针对每种预钠化策略的优缺点进行总结和归纳，并讨论了其商业化应用的可行性。
导读
2022年国家能源局和发改委正式印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，提出要加快钠离子电池等技术的研究和示范应用，并在2025年具备大规模商业化应用条件。因此，开发钠离子电池/电容器关键电极材料已成为当前的研究热点。然而，钠离子电池/电容器的电极材料在首次电化学循环过程中存在着严重不可逆的Na+损失，从而导致其性能恶化。预钠化技术是解决上述问题的一种有效的办法，其通过提供额外的Na+实现对钠离子电池/电容器电化学性能的优化。
正文
本文主要针对钠离子电化学储能技术，综述了各类预钠化技术的优缺点及相应的优化策略，主要包括正极添加剂法、富钠正极、物理预钠化、化学预钠化和电化学预钠化等，并对该领域中关键的科学问题和潜在研究方向进行了展望。
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正极添加剂
将添加剂与正极材料混合均匀制成电极浆料涂覆在集流体上，制成电极片。在首次电化学循环过程中，正极添加剂被氧化而不可逆的释放额外的Na+以补偿在常规循环过程中损失的活性钠离子。
图1 不同正极添加剂的预钠化机制图，(a) Na2C2O4, (b) DTPA-5N, (c) NaCrO2, (d) 电催化驱动NaO分解。
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富纳正极
富钠正极是通过一定的方法在正极材料中引入过饱和的Na+，其会在首圈电化学循化过程不可逆的释放钠离子以实现对活性Na+的补偿。
图2 (a) O3型NaxTMO2正极的电荷补偿机制；(b) 富钠正极Na4V2(PO4)3的脱钠过程。
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物理预钠化
物理预钠化是将Na粉或者Na箔在一定压力下直接辊压到电极片表面，或者将Na金属粉末加入到浆料中，与活性材料、导电剂、粘结剂混合均匀后制成极片，以此来实现预钠化的目的。
图3 物理预钠化示意图， (a) 通过滚压法制备NaSn合金示意图；(b) 直接与Na金属接触来实现预钠化示意图；(c) 超声分散Na金属粉示意图。
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化学预钠化
将Na金属浸入含有萘或联苯的醚类溶剂中，金属钠会与萘或者联苯发生电子转移生成高活性多环芳香基钠，随后与醚类溶剂形成络合物，如果极片浸泡入该溶液后，即可实现预钠化的目的。
图4. 化学预钠化示意图。
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电化学预钠化
电化学预钠化是将电池负极与金属Na预先组装成半电池，经过一定的循环后将半电池拆卸，然后与电池正极组装成全电池以实现预钠化的目的。
图5.(a) 电化学预钠化示意图；(b) 电压驱动的Na-Sb@ZMF/C负极预钠化示意图及 (c) 相应的电化学性能。
展望
钠基储能装置为大规模电化学储能系统提供了一种经济高效且可持续的替代方案。然而，在进一步商业化和工业化方面仍然存在诸多挑战，例如较低的初始库仑效率和不令人满意的能量密度。预钠化技术被认为是缓解上述问题的有效方法，不仅可以补偿不可逆的Na+损失，还可以显著改善能量密度、倍率性能和循环寿命。尽管预钠化技术已经得到了广泛的研究，但是仍有许多问题亟待解决：
1. 各种预钠化方法的内在机制仍不明晰，需要进一步研究。
2. 各类原位表征技术(原位XRD, 光谱, TEM)应该被采用来解析上述预钠化机制；
3. 传统的SEI膜与预钠化形成SEI膜的差异性需要进一步评估，尤其是SEI膜的形貌、成分和功能特性。
4. 理论计算应该更多的被应用来解析预钠化过程，从电子和原子尺度上揭示预钠化机制。
基金支持
这项工作得到了国家自然科学基金(No.52272194，52204308)，辽宁省兴辽人才项目(No. XLYC2007155)，中央高校基本科研业务费(N2025018, N2025009)和中国博士后基金(2022M710639)的支持。
通讯作者介绍
骆文彬：东北大学教授，博士生导师，国家级高层次青年人才，辽宁省“兴辽英才”青年拔尖。2009年和2011年分别于东北大学获学士和硕士学位，2015年毕业于澳大利亚伍伦贡大学获博士学位。主要从事于能源转化及存储和催化剂构效关系及催化机理方面的基础研究。已在Advanced Materials, ACS nano, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Catalysis，Nano Energy等权威期刊发表论文60余篇。
高宣雯：东北大学副教授，主要研究方向为锂离子电池正极材料。
引用此文
Mu JJ, Liu ZM, Lai QS, Wang D, Gao XW, Yang DR, Chen H, Luo WB. An industrial pathway to emerging presodiation strategies for increasing the reversible ions in sodium-ion batteries and capacitors. Energy Mater 2022;2:200043. http://dx.doi.org/10.20517/energymater.2022.57
转自：“蔻享学术”微信公众号
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