技术突破！新型钠电池正极材料实现十万次超长循环寿命

近年来，钠离子电池凭借原材料资源储备丰富、提取成本低、自主可控等优势，正在加速从实验室向产业化的发展，有望在储能领域与锂离子电池相辅相成，展现出巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

近日，中国科学院院士、中国南方科技大学机械与能源工程系教授赵天寿、副研究员韩美胜、副教授曾林团队在钠离子电池中提出了集成聚阴离子和层状氧化物的复合正极，实现了10万圈循环寿命，容量保持率达到72.6%，为长寿命和低成本钠离子电池的设计策略带来了新的思路。相关成果发表在国际顶级能源期刊《能源与环境科学》上。

突破长循环寿命极限

锂离子电池广泛应用于电动汽车、储能系统等新能源领域，具有能量密度高、寿命长、成本持续降低的优点。然而，锂资源短缺的问题限制了其发展，进一步促进了研究人员和行业探索替代技术。

钠资源丰富，成本低，与锂同族化学性质相似，有望成为锂的有力补充。此外，研究发现，钠离子电池在低温性能和安全性方面具有突出的优势，其性能特点和市场前景得到了市场的充分认可，被认为是最具潜力的新型储能电池之一。但传统钠离子电池正极材料存在明显短板，聚阴离子化合物稳定性高但容量低，层状氧化物容量高但易受空气和水蒸气侵蚀，循环稳定性差。

在这项研究中，该团队设计了一种嵌有多孔碳框架的聚阴离子-层状氧化物复合正极，该正极由富钠聚阴离子化合物和层状氧化物组成，优化后明显提高了钠离子的存储性能。

研究小组创新性地将聚阴离子化合物与层状氧化物结合起来，通过铁混合降低磷酸钒钠的间隙，激活钒元素的氧化还原反应，提高导电性和比容量;同时引入多孔碳骨架，增强电子传导，缓冲体积膨胀。此外，低应变层状氧化物作为“稳定剂”，可以有效缓解充放电过程中的结构应力。

本文第一作者、南科大机械与能源工程系硕士生邹支宇介绍，在0.1C倍率下，复合正极的可逆容量达到130mAh/g，在100C高倍率的电流密度下，10万次循环后容量保持率为72.6%，远远超过目前聚阴离子正极的使用寿命极限，比大多数报道高一个数量级。该团队还成功准备了能量密度达到153.4的安时级软包电池。Wh/kg，周期寿命超过500次，为后续工程化验证奠定了基础。

钠电工业迎来了广阔的发展机遇

目前，全球钠电池市场规模正在快速增长。根据《2024中国钠离子电池报告》的数据，目前全球小规模生产和特定场景的钠离子电池示范应用已经实现。2023年全球市场规模达到3.2亿美元，预计到2030年将接近10亿美元。

近几年来，我国高度重视钠离子电池的研发和应用。2022年，钠离子电池被列入“十四五”能源领域科技创新规划;2023年，工业和信息化部等六部门联合发布《关于促进能源电子产业发展的指导意见》，明确加强新型储能电池产业化技术攻关。

“从电池的整个生命周期来看，长寿命正极材料有望进一步推动钠离子电池在储能领域的应用和发展。”论文第一通信作者、南方科技大学副研究员韩美胜表示，研究团队通过将聚阴离子和层状氧化物正极桥接在钠离子电池正极的两个主要系统中，表明整合正极中的协同作用可以促进高能量密度、快速充电和长循环寿命正极的发展，拓宽未来正极研究的构成空间。

这一长寿、低成本的钠离子电池正极设计策略显示了其在未来大型储能系统中的广泛应用前景。

“虽然钠资源的储量是锂的1000倍，但与锂电池相比，它的产业链还不成熟，研发时间更短。目前，钠离子电池大规模商业化的核心挑战在于成本高、能量密度低、循环寿命短。”韩美胜表示，目前钠离子电池硬碳负极容量低、第一效率低、循环寿命相对较短、电解液成本高等制约了钠电池的工业应用，需要多线并进，促进钠离子电池的发展。目前，研究团队正在积极探索和适应这种长寿命正极的负极材料和电解液体系，以完善我国长寿命钠离子电池的研发体系。