Mater. Today综述：用于电网级储能的钠、钾离子电池的挑战与未来展望
兔兔
能源危机和环境污染要求大规模储能技术的发展。在众多的商业化技术中，电池因其相对较高的能量密度和较长的循环寿命而备受关注。然而，锂矿物的有限供应、分布不均、成本高昂，极大地阻碍了锂离子电池在大规模储能中的应用。因此，打造低成本、长寿命、高安全性的下一代可替代充电电池至关重要。在过去的几年中，在钠/钾离子电池（SIBs和PIBs）的电极和电解质材料方面取得了许多成功的研究成果。有鉴于此，澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授和阿贡国家实验室陆俊研究员等人综述了SIB/PIB的当前发展及其在实际应用中面临的挑战，包括它们的成本、能量密度、固体/电解质/界面中的离子扩散率、循环寿命和安全性问题。
本文要点：
1）SIB/PIB的电极/电解质材料需要在未来的研究中进行优化。在正极材料方面，高能正极仍然是迫切需要的，因为它们决定了SIB和PIB的能量密度。普鲁士蓝及其类似物具有较长的循环性能，但比容量不是很高。可以考虑将其用于用于能量密度要求不那么严格的电网规模的能源存储，以提高其能源效率，如在抽水蓄能电站的能量传递。钠、钾过渡金属氧化物具有较高的理论容量，但其结构稳定性有待提高，特别是当大钾离子插入到主体中时。聚阴离子化合物因其工作电压高和制备方法简单而成为高能正极的新星。未来的研究应集中在提高其电导率，通过浓度梯度调节来调节其组成，以及通过杂原子掺杂来进一步提高其电荷转移能力。
2）就负极材料而言，硬碳是SIB最有希望的候选负极。它的低密度导致单位体积成本的增加，但是会降低体积容量。因此，优化硬碳，提高电化学性能，实现高能量密度，将提高SIB的成本竞争力。此外，对于高理论容量的负极，如磷，循环过程中的体积变化是关键问题。因此，合理设计微/纳米结构和引入均匀缓冲基体仍然是克服这一挑战的最有效策略。金属钠、金属钾负极的研究还需要填补许多空白，包括电解质/金属界面行为、SEI形成动力学、枝晶生长、通过相间和固体金属的离子扩散率等。
3）未来的SIB和PIB研究工作需要利用该技术来确定不同电极/电解质体系组合中SEI层的三维结构，并找到电化学性能与电极/电解质间相之间的相关性。非常期待从这些新发现和成果中衍生出通用的设计原则。
Wenchao Zhang et al. Challenges and future perspectives on sodium and potassium ion batteries for grid-scale energy storage. Mater. Today 2021.
DOI: 10.1016/j.mattod.2021.03.015.
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.015