随着能源需求的不断增长和人们对环境问题的日益关注，钠离子电池作为锂离子电池的潜在替代品近年来备受关注。这得益于钠离子电池的低成本、环保和丰富的原材料。其中，锰基阴极材料因其高容量和可持续的元素选择而广受欢迎。然而，这些材料在空气中的稳定性差是其商业化的主要障碍。由于含有大量 Na 离子的层状结构的性质，空气中的二氧化碳和湿气都会导致阴极材料在暴露于空气中几个小时后就会变质，从而导致结构和化学完整性的丧失。阴极材料在空气中的稳定性对电池的制造、储存、性能和长期循环至关重要。据报道，有多种因素和机制会影响这些材料的空气稳定性，如成分、掺杂剂的存在、粒度和制备方法。

    近日，麦吉尔大学Eric McCalla团队全面探讨了钠离子电池正极材料空气稳定性的成因、测量、机理、解决方案和未来展望。该成果以《Unravelling Air/Moisture Stability of Cathode Materials in Sodium Ion Batteries: Characterization, Rational Design, and Perspectives》为题发表在《Energy & Environmental Science》。第一作者是Jia Shipeng。

【工作要点】    

    空气稳定性是钠离子阴极材料的一项关键性能，但迄今为止，研究人员一直将重点放在能量密度等其他关键性能上。考虑到采用层状氧化物阴极的钠离子电池商业化的潜在好处，现在是全面考虑空气稳定性的恰当时机。迄今为止，还缺乏有关阴极材料空气稳定性的系统性综述，特别的详细介绍空气稳定性表征方法的综述。为了弥补这一空白，研究人员进行了一次全面的综述，总结了据报道具有空气稳定性的阴极材料的各种成分和结构。本综述旨在为合理设计钠离子电池所用的空气稳定性更强的材料提供有价值的见解。

【结论】

总之，本综述研究了旨在提高阴极材料空气稳定性的各种材料设计策略。在提高空气稳定性的同时，必须考虑对其他关键性能（如电化学性能、安全性和成本）的影响。总体而言，成分设计和掺杂研究仍然是阴极材料研究的前沿，特别的考虑到 TM 位点的候选元素选择范围很广。此外，3% F、3% Nb和 1% Zr等低浓度掺杂已证明在不影响其他指标的情况下显著改善了空气稳定性。此类结构工程策略旨在为整个元件开发坚固、刚性的 TM 层框架，以增强整体结构稳定性，并为钠离子提供稳定的位点，从而减少钠在空气腐蚀下的溶解，并有利于长期循环性能。研究人员认为，调整体相结构以减轻空气反应的益处尚未达到饱和，因此有必要进一步探索体相结构的益处。相比之下，虽然材料回收策略（如在空气暴露后重新烧结）显示出实际可行性，但它们可能会增加阴极的总体成本，并且缺乏大规模制造的可持续性。研究人员认为，首先防止降解是实现商业化的最可行方法。鉴于需要在空气中进一步稳定，应继续广泛探索表面保护策略，并以 LIB 设计的进步为灵感。虽然镀膜后的后处理可能会增加成本并影响比容量，但一些镀膜材料表现出了显著的空气和电解液稳定性，以及出色的长期循环性。总之，要想提高阴极材料的空气稳定性，就必须采用综合方法，同时整合体相结构药物和高效涂层策略，以生产出空气稳定的材料，同时不影响电池性能、成本或可持续性。    

总之，研究人员的综合分析强调了在进一步的阴极材料研究中对空气稳定性的关键考虑，并为提高此类研究的可靠性和可重复性提供了切实可行的建议。研究人员鼓励研究人员采纳上述见解，为更好地理解各种阴极材料的空气稳定性做出贡献。

DOI：10.1039/d4ee00796d