钛基层状材料在钠离子储能电池中的关键应用

江克柱，郭少华，张雪苹，张晓禹，何 平，周豪慎



钛基层状材料在钠离子储能电池中的关键应用

江克柱，郭少华，张雪苹，张晓禹，何 平，周豪慎

（南京大学现代工程与应用学院，固体微结构物理国家重点实验室，江苏南京 210093）

钠元素在地壳中储量丰富，价格低廉，并且具有和锂元素类似的物理化学性质，因而钠离子电池被认为是最有希望商业化的新型储能技术之一。然而，钠离子的半径和质量较大，极大地限制了钠离子的迁移和电化学反应，所以发展新型安全稳定储钠电极材料是提升钠离子电池性能和推动其商业化的关键。在众多的电极材料当中，钛基层状材料具有低价、安全和稳定的特点，是近年来钠离子电池的阴极和阳极材料研究的热点之一。因此，本文综述了钛基层状材料在钠离子电池中的研究现状，包括钛基层状材料作为阳极材料、阴极材料和双极材料等方面，并详细探讨和分析该材料所面临的主要科学问题，最后展望钛基层状材料的未来发展趋势。

钠离子电池；层状材料；阳极材料；阴极材料；双极材料

随着世界经济和文明的高速发展，人类对能源的需求量也随之越来越大，化石燃料的不断消耗，使得地球面临着严重的能源和环境污染双重危机，所以开发能源已经迫在眉睫，诸如风能、太阳能、潮汐能等[1-2]。但是这些能源的利用严重依赖于时间、地点和气候等自然因素，导致其使用时空间和时间的不连续性。而将大规模储能系统接入电网可以有效地解决其空间和时间不连续性的问 题[3-4]。在众多的储能技术中，二次电池具有操作简单、安全、灵活和高能量转化效率等优点，是最合适大规模储存电能的手段之一[3,5]。其中，锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和高工作电压，是现今最主要的储能设备之一[6-7]，特别是在交通领域，电池在混合电动汽车和纯电动汽车中具有广阔的应用前景。锂元素是锂离子电池中主要的原料之一，但其在地壳中储量仅有0.065%，且分布不均。随着社会的发展，人类对锂资源的需求量不断加大，可以预见锂资源的价格将会随之不断上涨[8]。根据2008年的统计数据全球锂资源的储量约为21280吨，如以每年5%锂资源的需求量增长，现有的锂资源只够供应65年[5]，这将导致各种锂电子设备应用困难且价格昂贵，因此开发可替代锂离子电池的储能设备已经十分紧迫了。

钠元素是地壳中第六丰富的元素，具有与锂元素相类似的物理化学性质和价格低廉的特点，因而钠离子电池被认为是最有希望替代锂离子电池的新型储能技术之一[9-11]。如图1所示，钠离子电池的结构、部件和反应原理均与锂离子电池类似，除了电池中传输的是Na+而不再是Li+。电池放电时Na+从负极材料脱出，经电解液嵌入正极，充电时反之。但是Na+的半径和质量较大，这就会造成Na+的迁移困难，稳定性差，能量密度偏低等问题[12-14]。因此，开发安全、低价和高性能的储钠电极材料是实现钠离子电池商业化的关键。

纵观近几十年来钠离子电池发表的文章，含钠的层状过渡金属氧化物（NaTMO2）研究仍是钠离子电池领域的研究热点[15-16]。特别是钛基层状材料具有低价、安全和高稳定性的特点，并且其既可以作为阴极材料也可以作为阳极材料的特性，被认为是最有希望推动钠离子电池商业化的关键材料之一[17]。因此，本文将主要综述钛基层状材料在钠离子电池中的应用，尤其是对钛基层状材料作为阳极材料、阴极材料和双极材料三方面进行了详细探讨和分析，并展望钛基层状材料的研究的未来发展趋势。

1 含钠层状材料的结构及储钠原理

1981年，DELMAS等[18]在研究含钠层状材料（NaTMO2）时，根据Na+在过渡金属层间的排列方式，将NaTMO2主要分为O3型、O2型、P2型和P3四种类型（图2）。其中O型是指：钠离子与氧离子为八面体配位，3或2代表过渡金属离子占据不同位置的数目，由氧离子的堆积方式决定，O3型呈ABCABC方式排列，O2型呈ABAC方式排列。同样的道理，P型中的P指的是钠离子和氧离子为三棱柱配位，P3型呈ABBCCA排列，P2型呈ABBA方式排列。Na+在层状材料中的传输机理如图2(e)和2(f)所示，O型层状材料Na+的迁移需要先进入临近四面体间隙，然后再迁入相邻的八面体位点。而对于P型层状材料具有开放的扩散通道，Na+的迁移可以直接迁入相邻三棱柱位点[19-20]。正是由于不同晶体结构的层状材料展现出各异的储钠特性，因此需要通过合理的设计，才能使其发挥最佳电化学储钠性能。在众多的钠离子电池材料中钛基层状材料具有安全和稳定的特点，并且其既可以作为阴极材料又可以作为阳极材料，是钠离子电池的研究热点[17]。Ti3+/Ti4+氧化还原电对可以有效储存Na+，其平衡电压约为1 V，很适合作为钠离子电池的阳极材料，而且钛基层状材料具有优异的倍率性能和循环性能，是钠离子电池阳极材料的理想选择之一。另外，作为钠离子电池阴极材料，Ti离子虽然不是活性离子，但其可以起到稳定层状材料骨架、提高材料倍率和循环性能的作用。正是由于钛基层状材料的双功能性，作为阳极材料安全，作为阴极材料稳定，极大地推动了钠离子电池的商业化进程。

2 钛基阳极材料

1983年，DELAMS等[21]首次报道了NaTiO2体系嵌入和脱出Na+的电化学性能。初步的电化学实验结果表明，O3-NaTiO2仅有0.3个Na+可以嵌入和脱出，对应于其容量约为78 mA·h/g。最近，CEDER课题组[22]进一步从电化学和结构演变角度研究了O3-NaTiO2，他们发现接近0.5个Na+可以实现脱嵌，相当于152 mA·h/g的比容量，并且这种材料展示了良好的循环性能，充放电60圈后比容量没有明显的降低。原位XRD结果表明，这种材料在充放电过程中存在着可逆的O3-O3的相变，同时也发现了不同寻常的晶格参数的变化。O3-NaTiO2展示良好的储钠性能，但其容量和稳定性还仍达不到商业化的要求，所以进一步提高其储钠性能显得尤为重要。

在研究NaTiO2储钠材料时，科学家也发现其在电化学反应过程中并不十分稳定。为了克服这个问题，科学家研究发现利用其它的金属来替代部分的Ti元素可以有效地稳定Ti元素在层状结构中的氧化和还原反应。如果掺杂少量低价阳离子来替代NaTiO2中Ti离子可以将Ti离子价态提升到四价，减少Na+的含量，并且产生更多的Na+空位，从而提高钛基层状在Na+插入和脱出时的稳定性[23]。如胡勇胜等[24]利用Li+替代NaTiO2中部分Ti离子，制备出P2相的Na0.66Li0.22Ti0.78O2，并研究了其储钠性能。由于Li+和Ti4+具有类似的离子半径，可以使得Li+很好地掺杂入层状NaTiO2晶体中，而不改变其结构。这种材料在0.4～2.5 V电压范围展示了约120 mA·h/g比容量，并且具有良好的倍率性能和突出的循环性能[图3(a)～3(c)]。原位和非原位的XRD表征结果表明，这种P2相的Na0.66Li0.22Ti0.78O2存在着准单相的电化学储钠行为[图3(d)～3(e)]。当放电到0.4 V时，其轴收缩2.03%，而和轴膨胀1.43%，其在Na+脱嵌过程中单个晶胞的体积变化仅为约0.77 %，因此这种Li掺杂的NaTiO2也被称作为“零应变”的材料，值得说明的是这种低的体积变化是由于轴和轴的变化相反造成的。DFT理论计算的结果可知Li+脱离过渡金属层需要跨越的能垒约为1 eV，而Na+的扩散激活能仅为0.4 eV，所以在充放电过程中Li+几乎不可能发生迁移，有效地保证了电极材料在充放电过程的循环稳定性，从而使得这种材料在1200圈的循环测试中每圈仅有0.02 %的容量损失。

除了Li+外，3d过渡金属离子（如Cr3+、Co2+、Ni2+）与Ti4+也有着类似的半径，也可以替代NaTiO2部分的Ti元素，进一步调节其储钠特性，开发出新型的钛基层状材料。2014年，本课题组[25]开发了新型的Na2/3Co1/3Ti2/3O2材料，证明了通过Co2+的掺杂也可以进一步提高材料的储钠性能。这种材料在0.15～2.5 V的充放电范围内可以实现约90 mA·h/g可逆比容量，具有良好的倍率性能，而且具有优异的稳定性，在3000次循环后还保持有约85%的比容量，这种超长稳定性主要归因于充放电过程中极其微小的体积变化。最近，本课题组[26]还报道了具有近似组分而不同结构的两种材料P2-Na0.62Ti0.37Cr0.63O2和P3-Na0.63Ti0.37Cr0.63O2，并对其电化学储钠性能进行了深入的研究。研究结果表明虽然这两种材料具有相同的组分，但是性能却存在着很大差别，相比于P3相的材料，P2的材料具有更高的储钠容量和更优的倍率性能以及更好的稳定性，这个结果再次证明了钛基层状材料的储钠性能严重依赖于其材料的结构特性[图4(e)～4(f)]。进一步的STEM-EELS表征表明充放电过程存在着Ti3+和Ti4+之间的可逆转变，而XRD结果揭示其是通过单相反应机理进行的[图4(a)～4(d)]。密度泛函理论计算的结果表明存在较多Na+空位的P2相材料具有更低的Na+扩散势垒，这与P2相具有更高的倍率性能结果相吻合。另外，通过引入Ni2+，FIELDEN等[27]合成了NaNi/2Ti1-/2O2（<1）材料，并研究了其储钠性能。这个体系中的材料平均放电电位在0.7 V左右，并且伴随着低的极化现象、高的稳定性和好的倍率性能。在这个体系当中，Na0.6Ni0.3Ti0.7O2在0.005～2 V范围内提供了约为100 mA·h/g的可逆比容量，并且在50圈的充放电循环后展示了良好的容量保持率。XRD结果表明，当放电电压达到0 V时材料的结构并没有发生变化，进一步确认了Na+的嵌入过程是在层间进行的。通过调控钠的含量，可以制备出O3相或P2相的材料表明了这个体系具有很高的灵活性。

3 钛基阴极材料

虽然Ti3+/Ti4+氧化还原电对的电压太低不足以用来做锂离子或钠离子电池的阴极材料，但是四价的Ti离子可以作为非活性元素添加到各种钠电阴极材料中，来调节其电化学储钠的性能，即作为一种非活性组分而是提供稳定的骨架的作用来增加稳定性。在充放电过程中，其它的过渡金属，如Cr、Mn、Fe、Co和Ni可以发生二价-四价或三价-四价转变，而Ti在此过程一直保持着不变的四价[28]。通过合理的设计，许多钛基层状阴极材料可被用来作为储钠阴极材料。

2014年，本课题组[29]首次报道了O3-NaNi0.5Ti0.5O2作为稳定的储钠阴极材料。单一组分的NaNiO2在充放电过程中存在着复杂的相变过程：O3-O3-P3-P3，而在NaNi0.5Ti0.5O2只存在着O3-P3简单相变，很好地缩短了电化学反应过程，因此，这种材料展现出了光滑的充放电曲线，并且大部分曲线的电压均在2.8 V以上。NaNi0.5Ti0.5O2同样展示了良好的稳定性，在0.2 C的倍率下循环100圈容量的保持率仍有93%，在1 C的倍率下循环300圈容量的保持率为75%[图5(b)～5(c)]。钛掺杂进入层状NaNiO2晶体使得材料的结构稳定性得到提升，阻止了复杂的电化学相变过程，使得电化学曲线变的平滑，提高了材料的储钠性能。

YOSHIDA等[30]通过将钛元素掺杂入P2相的Na2/3Ni1/3Mn1/2O2材料，来替代其中的部分Mn元素。在之前的研究中，P2相的Na2/3Ni1/3Mn1/2O2被证明具有多平台的电化学曲线和快速容量衰减的特点。在材料进行钛掺杂后，P2相的Na2/3Ni1/3Mn1/2Ti1/6O2展现了127 mA·h/g的可逆比容量和平均电压在3.7 V的放电曲线[图5(e)]。更重要的是复杂的多平台的充放电曲线被相对平滑的充放电曲线所替代，这个结果表明了脱嵌钠过程中更少的相变以及明显抑制的结构有序。这种材料与钠片组装成半电池可以稳定循环20圈而没有明显的容量变化，同时具有良好的倍率性能[图5(f)]。这些结果都表明了钛的掺杂稳定了充放电过程中材料结构，从而改善了充放电的曲线，提高了材料的可逆容量。

4 钛基双极材料

钛基层状材料既可以作为高稳定性的阴极材料也可以作为高安全性的阳极材料。正是由于钛基层状材料作为阳极和阴极材料的诸多优点，许多钛基层状材料已经被用作钠离子全电池来评估其实际的应用效果。在此，值得一提的是其中一种对称型全电池，利用相同的钛基层状材料不但作为阴极材料，而且也作为阳极材料使用，这种材料也被称作为双极材料。这种双极材料中Ti和其它的过渡金属TM分别提供了Ti3+/Ti4+和TM2+/TM3+（或者TM3+/TM4+）可逆的电对[31]。3d过渡金属元素，如Cr、Co、Ni、Mn和Fe都具有高于Ti的电化学电位，是比较理想的双极材料组成元素。这类材料中，本课题组首次提出并实现了这种对称的钠离子全电池，这种独特的电池系统在大规模电网中的应用具有较大的吸引力。

本课题组[32]首次开发了钛基层状氧化物组成的对称电池，其中使用Na0.8Ni0.4Ti0.6O2作为双极材料。这种双极材料展现了典型的O3相结构，其中包含了具有电化学活性Ni和Ti两组氧化还原电对。Ti和Ni不但可以相互稳定存在，而且只在合适的阴极和阳极的电位范围发生电荷转移。从材料半电池反应中的CV曲线图中，可以看出两个明显的氧化峰分别在约3.5 V和约0.7 V位置（图6）。基于它们不同的电位，将具有双极功能的Na0.8Ni0.4Ti0.6O2材料组装成对称的钠离子全电池，其工作电压可达2.8 V。电化学实验结果表明，这种对称全电池可以提供80 mA·h/g的可逆比容量，并且可以稳定循环150圈。XRD结果表明，这种双极材料在阴极是发生可逆的O3-P3相变，而在阳极仅发生O3的单相反应。另外，本课题组[33]引入两种变价过渡金属Ni和Co得到超稳定的双极材料P2-Na0.66Ni0.17Co0.17Ti0.66O2，进一步提高了材料的稳定性和实用性。XRD结果表明其具有典型的层状结构，SEM图片显示其颗粒的尺寸为2～5 μm[图7(a)～7(b)]。球差电镜结果表明，其精细的原子层堆垛结构为ABBA堆垛成的典型P2相结构[图7(c)～7(f)]。将其作为阴极材料可提供平均高达3.7 V电压，而没有明显的平台，并且在充放电500个循环后电压没有降低。而将其作为阳极材料，其同样展现出了优异的电化学性能，可提供105 mA·h/g的可逆比容量和0.69 V的明显平台。而将其同时作为对称全电池的阴极和阳极，这种电池的开路电压可高达3.1 V，也是至今为止对称电池中的最高水平，并且这种电池具有92 mA·h/g的可逆比容量，以及良好的倍率性能和超长的循环稳定性能，能稳定循环1000圈（图8）。

5 总结与展望

钠离子电池储量丰富，价格低廉，是大规模储能技术的理想选择之一。但与Li+相比，Na+具有更大的半径和重量，导致其低的扩散动力学和低的能量密度，这严重地限制了其商业化进程。正是其有别于锂离子的化学性能，同时给钠离子电池带来不同于锂离子电池的机遇。图9总结了钠离子电池中各种钛基层状材料电化学性能，包括可逆容量、平均工作电压和能量密度。从图中可以看出，钛基层状材料在钠离子电池研究中取得很大的进步。其中，以钛元素作为阳极活性物质，Ti3+/Ti4+氧化还原电对提供相对的高电压，具有良好的安全性。或者将钛元素作为阴极结构材料，可以起到稳定层状材料骨架，提高材料倍率和循环性能的作用。正是充分发挥钛元素的各种特性，使得材料的性能得到了很大的提升，作为阳极材料安全，作为阴极材料稳定，丰富了钠离子电池材料的选择范围，为钠离子电池实用化打下了坚实基础。

钛元素展示出的双重功能为科学家提供了新的视角去更好的研究电极材料的特性，潜在的类似功能元素，如V、Nb和Mo需要进一步的探索。这给进一步开拓具有结构灵活性的钠基层状材料、阴极和阳极材料提供了更加广阔的研究空间。图10给出了双极材料的公式，其中包括像Ti、V、Nb和Mo这些具有低电位的氧化还原电对，以及其它过渡金属，如Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Ru这些具有高电位的氧化还原电对。当作为阳极时，具有低电位氧化还原过渡金属作为活性物质，当作为阴极时，高电位的氧化还原金属作为活性物质低电位氧化还原金属起着稳定材料的作用。探索各种双极材料是实现高性能对称全电池的解决方案。基于先前的研究结果，使用钛基双极材料已成功地组装成对称全电池，这种全电池具有竞争性的高工作电压和高稳定的性能。

钛基层状材料得到广泛的研究，钠离子电池的性能有了长足的进步，但其性能还仍未达到钠离子电池实用化要求，所以钠离子电池大规模商业化仍需要很长的一段路要走。钛元素的使用可以有效地提高电池材料的安全性和稳定性，但其详细的作用机理仍不透彻，限制了其更广泛的应用。无论是作为阴极材料，还是阳极材料，其微观反应机制都值得大家深入研究。另外，目前的钛基层状材料安全性和稳定性较好，但其容量有限，所以开发高能量密度的钛基材料也是广大科研工作者需要努力的方向。最后，只有通过合理的选择钠离子电池阴极材料、阳极材料和电解液，寻求它们的最佳组合，才能设计出高性能的钠离子电池，推动钠离子电池的商业化进程。

[1] TWIDELL J, WEIR T. Renewable energy resources[M]. Routledge, 2015.

[2] TRANCIK J E. Renewable energy: Back the renewables boom[J]. Nature, 2014, 507(7492): 300-302.

[3] DUNN B, KAMATH H, TARASCON JM. Electrical energy storage for the grid: A battery of choices[J]. Science, 2011, 334(6058): 928-935.

[4] YANG Z, ZHANG J, KINTNER-MEYER M C W, et al. Electrochemical energy storage for green grid[J]. Chemical Reviews, 2011, 111(5): 3577-3613.

[5] PAN H, HU YS, CHEN L. Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage[J]. Energy & Environmental Science, 2013, 6(8): 2338-2360.

[6] ARMAND M, TARASCON J M. Building better batteries[J]. Nature, 2008, 451(7179): 652-657.

[7] NITTA N, WU F, LEE J T, et al. Li-ion battery materials: Present and future[J]. Materials Today, 2015, 18(5): 252-264.

[8] TARASCON JM. Is lithium the new gold?[J]. Nature Chemistry, 2010, 2(6): 510.

[9] YABUUCHI N, KUBOTA K, DAHBI M, et al. Research development on sodium-ion batteries[J]. Chemical Reviews, 2014, 114(23): 11636-11682.

[10] BALOGUN MS, LUO Y, QIU W, et al. A review of carbon materials and their composites with alloy metals for sodium ion battery anodes[J]. Carbon, 2016, 98: 162-178.

[11] KUNDU D, TALAIE E, DUFFORT V, et al. The emerging chemistry of sodium ion batteries for electrochemical energy storage[J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2015, 54(11): 3431-3448.

[12] ADELHELM P, HARTMANN P, BENDER C L, et al. From lithium to sodium: Cell chemistry of room temperature sodium–air and sodium-sulfur batteries[J]. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2015, 6(1): 1016-1055.

[13] KUBOTA K, KOMABA S. Review-practical issues and future perspective for na-ion batteries[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2015, 162(14): A2538-A2550.

[14] KIM S, MA X, ONG S P, et al. A comparison of destabilization mechanisms of the layered NaMO2and LiMO2compounds upon alkali de-intercalation[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14(44): 15571-15578.

[15] HWANG JY, MYUNG ST, SUN YK. Sodium-ion batteries: Present and future[J]. Chemical Society Reviews, 2017,: doi: 10.1039/c1036cs00776g.

[16] HAN M H, GONZALO E, SINGH G, et al. A comprehensive review of sodium layered oxides: Powerful cathodes for Na-ion batteries[J]. Energy & Environmental Science, 2015, 8(1): 81-102.

[17] GUO S, YI J, SUN Y, et al. Recent advances in titanium-based electrode materials for stationary sodium-ion batteries[J]. Energy & Environmental Science, 2016, 9(10): 2978-3006.

[18] DELMAS C, FOUASSIER C, HAGENMULLER P. Structural classification and properties of the layered oxides[J]. Physica B & C, 1980, 99(1/4): 81-85.

[19] KIM D, KANG SH, SLATER M, et al. Enabling sodium batteries using lithium-substituted sodium layered transition metal oxide cathodes[J]. Advanced Energy Materials, 2011, 1(3): 333-336.

[20] GUO S, LIU P, YU H, et al. A layered P2-and O3-type composite as a high-energy cathode for rechargeable sodium-ion batteries[J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2015, 127(20): 5992-5997.

[21] MAAZAZ A, DELMAS C, HAGENMULLER P. A study of the NaTiO2system by electrochemical deintercalation[J]. Journal of Inclusion Phenomena, 1983, 1(1): 45-51.

[22] WU D, LI X, XU B, et al. NaTiO2: A layered anode material for sodium-ion batteries[J]. Energy & Environmental Science, 2015, 8(1): 195-202.

[23] SHANNON R D. Revised effective ionic-radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides[J]. Acta Crystallographica Section A, 1976, 32(SEP1): 751-767.

[24] WANG Y, YU X, XU S, et al. A zero-strain layered metal oxide as the negative electrode for long-life sodium-ion batteries[J]. Nature Communications, 2013, 4: 2365.

[25] YU H, REN Y, XIAO D, et al. An ultrastable anode for long-life room-temperature sodium-ion batteries[J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2014, 53(34): 8963-8969.

[26] GUO S, SUN Y, YI J, et al. Understanding sodium-ion diffusion in layered P2 and P3 oxides via experiments and first-principles calculations: a bridge between crystal structure and electrochemical performance[J]. Npg Asia Materials, 2016, 8: e266.

[27] FIELDEN R, OBROVAC M N. Low voltage sodium intercalation in NaNi/2Ti1-/2O2(0.5££1.0)[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2014, 161(6): A1158-A1163.

[28] XU S, WANG Y, BEN L, et al. Fe-based tunnel-type Na0.61Mn0.27Fe0.34Ti0.39O2designed by a new strategy as a cathode material for sodium-ion batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2015, 5(22).

[29] YU H, GUO S, ZHU Y, et al. Novel titanium-based O-3-type NaTi0.5Ni0.5O2as a cathode material for sodium ion batteries[J]. Chemical Communications, 2014, 50(4): 457-459.

[30] YOSHIDA H, YABUUCHI N, KUBOTA K, et al. P2-type Na2/3Ni1/3Mn2/3-TiO2as a new positive electrode for higher energy Na-ion batteries[J]. Chemical Communications, 2014, 50(28): 3677-3680.

[31] WANG Y, XIAO R, HU YS, et al. P2-Na0.6Cr0.6Ti0.4O2cation-disordered electrode for high-rate symmetric rechargeable sodium-ion batteries[J]. Nature Communications, 2015, 6: 6954.

[32] GUO S, YU H, LIU P, et al. High-performance symmetric sodium-ion batteries using a new, bipolar O3-type material, Na0.8Ni0.4Ti0.6O2[J]. Energy & Environmental Science, 2015, 8(4): 1237-1244.

[33] GUO S, LIU P, SUN Y, et al. A high-voltage and ultralong-life sodium full cell for stationary energy storage[J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2015, 54(40): 11701-11705.

Titanium-based layered materials for sodium ion batteries

JIANG Kezhu, GUO Shaohua, ZHANG Xueping, ZHANG Xiaoyu, HE Ping, ZHOU Haoshen

(College of Engineering and Applied Sciences, National Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing University, Nanjing 210093, Jiangsu, China)

Rechargeable sodium-ion batteries have been considered as one of the most promising energy storage technologies, owing to the low cost and natural abundance of sodium in the earth's crust. However, the issues of the large radius and heavy weight of sodium ion limit the migration and reaction of sodium ion during charging and discharging processes. Therefore, development of novel electrode materials with stability and safety is essential for commercialization of sodium-ion batteries. Among the many electrode candidates for sodium-ion batteries, titanium-based layered materials have recently attracted great interest due to their low cost, stability and safety. This paper summarized recent research progress on titanium-based layered materials for sodium-ion batteries, including titanium-based layered anodes, cathodes, and bipolar electrodes. We provided a detailed analysis and discussion of the scientific issues of titanium-based compounds for the sodium storage. Moreover, the future developing trend of sodium-ion batteries were also briefly introduced in this review.

sodium-ion batteries; layered materials; anode materials; cathode materials; bipolar materials

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0115

TQ 028.8

A

2095-4239（2017）05-952-09

2017-06-26；

2017-08-08。

国家自然科学基金项目（21673116，21373111，51602144）。

江克柱（1987—），男，博士研究生，研究方向为钠离子电池电极材料，E-mail：dg1634016@smail.nju.edu.cn；

郭少华，副教授，E-mail：shguo@nju.edu.cn；周豪慎，教授，E-mail：hszhou@nju.edu.cn。