钠离子电池文献日报

报告日期：2026年01月17日

1. 概述

近24小时内，钠离子电池领域共收录7篇重要文献，研究内容涵盖正极材料设计、电解质优化、界面稳定性及计算模拟等多个方向。其中，实验性研究聚焦于高熵层状正极材料的形貌调控、质子驱动超快充策略以及耐低温钠金属电池电解质开发；理论计算方面则涉及锰基普鲁士蓝类似物中Na⁺扩散机制、锰基正极材料的电子性质与迁移行为等基础研究。特别值得关注的是，机器学习加速材料发现的范式已成功应用于NASICON型固态电解质的筛选，标志着钠离子电池研究正迈向智能化与高性能化的新阶段。

2. 最新进展

2.1 正极材料超快充策略突破

针对层状氧化物正极材料本征二维结构导致的离子传输壁垒问题，研究者提出质子化诱导重构策略[4]。通过在NaNi₀.₄Fe₀.₂Mn₀.₄O₂ (NFM)正极表面引入Zr(HPO₄)₂质子源，构建具有三维高速离子通道的功能性表面保护层，同步优化体相过渡金属-氧配位结构，显著降低离子传输阻力。该策略实现了20C超高倍率下94.4 mAh g⁻¹的比容量输出，为层状正极材料的快速充电性能提升提供了新思路。

2.2 高熵设计协同形貌调控

采用喷雾热解技术成功制备具有单晶颗粒形态的高熵层状正极材料(Na₀.₅₂Ti₀.₁₉Mn₀.₁₉Fe₀.₂₁Ni₀.₂₁Co₀.₂₀O₂)[6]。该材料平均粒径达0.75 µm，呈现P3-O3层状混合相结构，并含有约20%岩盐与尖晶石相。相比传统溶胶-凝胶法合成的团聚结构材料，单晶形态的高熵正极展现出约180 mAh g⁻¹的高比容量及300次循环后69%的容量保持率，证实高熵设计与微观形貌协同优化对电化学性能的决定性作用。

2.3 低温钠金属电池电解质工程

针对钠金属电池在低温条件下界面不稳定与动力学迟缓的难题，研究者开发了两亲性稀释剂增强的电解质体系[5]。该设计通过调控Na⁺溶剂化结构，促进阴离子衍生富无机界面的形成，使Na||Al/C半电池在-20°C下实现93.85%的库仑效率，Na||硫基全电池在-20°C稳定循环200次。该策略为宽温域钠金属电池的商业化应用提供了可行的电解质解决方案。

2.4 智能化材料发现范式

机器学习技术被成功应用于多阳离子熵稳定NASICON型固态电解剂的加速发现[7]。该研究实现了长达10,000小时的稳定钠沉积/剥离性能，标志着全固态钠电池在电解质稳定性方面取得重要突破，同时展示了数据驱动方法在复杂组分材料筛选中的巨大潜力。

3. 热点文章

3.1 质子驱动电场调制机制

文献[4]提出的质子驱动有效电势场调制策略，通过表面质子化重构同步解决界面与体相离子传输问题，属于机理性创新。该工作不仅揭示了表面电势工程对离子动力学的调控规律，更通过实验验证了"三维离子通道+体相配位优化"的双重增效机制，为超快充钠离子电池正极设计提供了普适性方法论。未来研究可拓展该策略至其他层状材料体系，并深入探究质子浓度与电场强度的定量关系。

3.2 高熵单晶正极的构效关系

文献[6]通过对比喷雾热解与溶胶-凝胶法制备的高熵正极，系统阐明了单晶形态对缓解颗粒破碎、抑制界面副反应的关键作用。该研究首次将高熵概念与单晶工程结合，解决了高容量与长循环稳定性难以兼得的矛盾。后续研究可聚焦于高熵组分精确调控、晶面取向优化以及规模化制备工艺开发。

3.3 机器学习赋能固态电解质开发

文献[7]代表了材料研发范式的变革，通过机器学习加速多阳离子NASICON型固态电解质的发现，并实现超长时间稳定的钠沉积/剥离。该工作不仅解决了固态电解质离子电导率与界面稳定性的平衡难题，更建立了"计算预测-实验验证-性能优化"的闭环研究模式，为下一代全固态钠电池的材料开发指明了智能化路径。

4. 新材料进展

4.1 层状正极材料

4.2 无机固态电解质

机器学习加速发现的多阳离子熵稳定NASICON型固态电解质[7]展现出突破性进展。该材料实现10,000小时超长循环稳定性，解决了全固态钠电池中钠枝晶抑制与界面相容性难题。熵稳定策略通过多元素协同效应提升了结构稳定性，而机器学习则高效筛选出最优组分，为固态电解质开发提供了新范式。

4.3 电解质与界面体系

两亲性稀释剂增强电解质[5]通过调控溶剂化结构，在低温下构建稳定的富无机界面，拓展了钠金属电池的工作温域。该设计兼顾离子传输动力学与界面化学稳定性，代表了电解质工程向功能化、智能化方向发展的重要趋势。

5. 启发性思考

5.1 对层状正极研究的启示

物理所钠离子电池实验室长期致力于层状正极材料的成本降低与性能提升。文献[4]的质子驱动策略与[6]的高熵单晶设计均具有重要借鉴意义：

• 表面工程方向：质子化重构策略可在不引入昂贵元素的前提下显著提升倍率性能，符合低成本研发目标。建议探索其他质子源材料（如H₃PO₄、NH₄H₂PO₄）及不同层状体系（如Na-Cu-Fe-Mn-O）的适用性，并研究质子浓度梯度分布对长循环稳定性的影响。
• 体相设计方向：高熵单晶概念虽涉及多元素掺杂可能增加成本，但喷雾热解法工艺简单、易于放大，且单晶结构可减少电解液用量并提升压实密度，间接降低电池整体成本。建议聚焦Fe、Mn等廉价元素的高熵体系，优化熵增效应与原料成本的平衡。

5.2 对固态电解质研究的启示

物理所关注的无机固态电解质方向可从文献[7]获得重要启发：

• 智能化研发：建议建立NASICON型固态电解质的成分-结构-性能数据库，结合机器学习预测离子电导率、电化学窗口及化学稳定性，加速筛选低成本、高稳定性的固态电解质组分。
• 熵稳定机制：多阳离子掺杂的熵稳定策略可抑制相变、提升循环寿命，建议探索Na₃Zr₂Si₂PO₁₂体系中用廉价元素（如Al³⁺、Ca²⁺）替代昂贵元素（如Sc³⁺、Y³⁺）的可行性，在保证性能的同时降低成本。

5.3 对低温性能与安全性的启示

文献[5]的低温电解质设计对提升钠离子电池环境适应性与安全性具有参考价值：

• 界面化学调控：两亲性稀释剂构建的富无机界面不仅提升低温性能，也增强了界面热稳定性。建议将该策略与物理所擅长的聚合物/复合电解质研究结合，开发具有宽温域、高安全性的复合固态电解质。
• 全电池验证：该研究采用硫基正极验证低温性能，建议物理所将其与硬碳负极匹配，系统评估低温下的全电池能量密度、功率特性及安全边界，为储能应用提供数据支撑。

5.4 对计算模拟研究的启示

文献[2]和[3]的理论工作为实验研究提供了重要指导：

• 扩散机制解析：建议将第一性原理计算与实验表征（如GITT、PITT）结合，定量分析层状正极中Na⁺扩散系数与晶体结构、缺陷浓度的关系，指导材料优化方向。
• 电压预测与筛选：利用DFT+U方法预测新型高熵正极的嵌钠电压平台，避免实验试错成本，加速高能量密度正极材料的理性设计。

6. 总结与展望

6.1 研究趋势总结

当前钠离子电池研究呈现三大趋势：性能极限突破（超快充、超长循环）、环境适应性提升（低温运行、全固态安全）以及研发范式变革（机器学习加速发现）。层状正极材料通过表面/体相协同工程持续优化，固态电解质借助智能化手段快速迭代，钠金属电池界面问题通过电解质设计得到有效缓解，共同推动钠离子电池向高性能、低成本、高安全方向迈进。

6.2 未来研究方向

1. 多尺度协同设计：融合原子级掺杂（高熵）、纳米级表面包覆（质子化重构）与微米级形貌控制（单晶化），构建跨尺度优化的层状正极材料体系，实现能量密度、功率密度与循环寿命的同步提升。
2. 固态电池界面工程：针对NASICON电解质与正负极的界面阻抗问题，开发原位固化、界面缓冲层等策略，结合物理所聚合物电解质研究优势，构建有机-无机复合固态电解质体系，兼顾离子电导率与界面相容性。
3. 智能化研发平台：建立涵盖材料合成、表征、测试全流程的数据平台，整合文献[7]的机器学习经验，实现从"经验试错"到"理性设计"的转变，重点筛选低成本、环境友好的材料体系。
4. 极端工况性能优化：借鉴文献[5]的低温设计思路，系统研究钠离子电池在宽温域（-40°C至80°C）下的失效机制，开发适应高寒、高热环境的储能系统，满足多元化应用场景需求。
5. 全生命周期成本分析：在追求高性能的同时，建立材料成本、制备能耗、循环寿命的综合评估模型，确保新技术路线的经济可行性，支撑钠离子电池在储能市场的竞争优势。

6.3 应用前景展望

随着上述研究的深入，钠离子电池有望在以下领域实现突破：电网级储能系统中，高安全固态钠电池将降低火灾风险；电动汽车领域，超快充技术将缩短充电时间；极端环境应用中，宽温域电池将拓展使用边界。物理所应聚焦层状正极与固态电解质的核心优势，通过产学研合作加速技术转化，推动钠离子电池从实验室走向大规模商业化应用。