澳大利亚卧龙岗大学王佳兆教授EEM综述：可充电Na-O2和Na-CO2电池的研究进展及未来展望

成果简介

近日，澳大利亚卧龙岗大学王佳兆教授课题组在Energy & Environmental Materials上发表题为“Research Progress and Future Perspectives on Rechargeable Na-O₂ and Na-CO₂ Batteries”的综述论文。该论文从工作机理、空气正极材料设计策略、钠负极保护、电解质稳定性等方面综述了Na-O₂和Na-CO₂电池的研究进展和未来发展趋势。并对今后的研究方向和有待解决的问题进行了探讨。

引言

可充电Na-O₂和Na-CO₂电池具有理论能量密度高、成本适中、钠资源丰富等优点，近年来备受关注。在大规模的能量存储系统中实现真正的钠-空气电池具备很大的潜力。然而，目前Na-O₂和Na-CO₂电池的研究面临着低能效和有限的循环寿命等挑战，严重限制了其进展进程。因此，了解钠-空气电池的工作原理以及电极的化学和电化学反应是实现其实际应用及实现真正的钠-空气电池目标所必不可少的。这篇综述将对Na-O₂和Na-CO₂电池的主要部分进行全面的介绍。首先，讨论空气负极的电化学反应机理。下面将对空气正极设计、电解液种类、钠负极保护等方面的研究现状进行综述。最后，对未来的研究方向进行了展望，提出了提高Na-O₂和Na-CO₂电池性能的策略，以实现真正的钠-空气电池的实际应用。

总结与展望

可充电的Na-O₂和Na-CO₂电池由于其超高的能量密度和低廉的成本，为开发下一代储能系统提供了广阔的方向。Na-O₂电池由于其充电过电位低，具有实现高能效的巨大潜力，自2011年首次研究以来，其研究取得了重大进展。钠-二氧化碳电池是一种很有吸引力的方法来捕获二氧化碳并同时提供电能，自2014年以来也吸引了大量的研究兴趣。本文综述了可充电Na-O₂和Na-CO₂电池的研究现状，包括其反应机理、空气正极材料、电解质和Na-CO₂阳极。在实现高性能可充电Na-O₂和Na-CO₂电池的技术潜力之前，仍有几个关键问题需要解决。

1. Na-O₂电池中复杂电化学反应的反应机理还有待研究。由于充电电位和能量效率与放电产物的组成高度相关，将其化学成分导向NaO₂是实现高电化学性能的关键。然而，氧气正极上放电产物的形成和生长的详细机制仍不清楚。在放电电极中发现了不同的化合物，包括NaO₂、Na₂O₂和它们的混合物。放电产物的组成与电池的物理化学条件有关。因此，需要包括原位研究在内的更多的努力来深入了解钠氧电池的反应机制。

2. 反应动力学的迟缓是Na-CO₂电池不可忽视的挑战，这将导致过电位大，可逆性差。因此，需要开发结构合理、催化能力强的高效催化剂来填补这一空白。电极的结构和形貌起到了重要的作用，因为更大的表面积可以提供更大的放电调节空间，充分的孔隙有助于CO₂气体的有效扩散和电解质的输送。此外，优异的电子导电性也有利于快速的电子传递，从而加速电化学反应。此外，对CO₂具有较强的结合亲和性和催化活性，可以降低界面反应障碍，增强迟缓动力学，从而实现Na-CO₂电池的高性能。

3. 钠负极的不稳定性是Na-O₂和Na-CO₂电池不可避免的问题。电解液中溶解的气体和空气正极形成的超氧化物中间物会向负极侧迁移，导致钠负极的腐蚀和钝化。副反应可能增加过电位，进一步降低库仑效率，甚至可能导致电池失效。更多的基础研究应该集中在探索钠负极侧的具体反应。此外，钠负极充放电过程中钠枝晶的形成和生长是另一个问题，这是一个安全问题，也是提高电池效率的障碍。应采取包括制备陶瓷涂层隔膜、在钠负极表面构建稳定的SEI层以及开发纳米结构负极在内的更有效的措施来保护钠负极来解决这一问题。

4. 电解质的稳定性也是影响Na-O₂和Na-CO₂电池性能的关键因素。尽管目前醚基电解质已经取代了碳酸基电解质，并被广泛认为在细胞条件下对超氧化物的稳定，但仍有必要开发更稳定的替代品，因为醚基电解质的长期循环稳定性还有待确定。如上所述，具有高离子电导率的固态电解质为高稳定电解质提供了一个有前途的方向，这不仅可以避免易燃性和泄漏问题，还可以抑制枝晶生长和防止放电充电过程中的气体。此外，在今后的全电池研究中还应考虑正极和钠负极之间的电解质相容性。

综上所述，Na-O₂和Na-CO₂电池系统虽然还处于早期研究阶段，但在过去的十年中已经显示出了广阔的前景，取得了很大的进展。因此，明确反应机理，合成有效的空气正极材料，探索钠负极保护途径，开发稳定的电解质是实现Na-O₂和Na-CO₂电池实际应用的前提。通过不断的努力，相信Na-O₂和Na-CO₂电池，甚至是真正的钠-空气电池，将会被应用到大规模的储能系统中。