前言

钠离子电池与锂离子电池几乎诞生在同一时代,它甚至在某些开创性的工作方面先于锂离子电池。但是因为理论容量有限、反应动力学迟缓等问题,长久以来钠离子电池在理论研究和实际应用方面并没有取得突破性进展。直至20世纪90年代末至21世纪初,随着层状过渡金属氧化物正极和硬碳负极的开发,钠离子电池才重新回到人们的视野。2010年之后,关于钠离子电池的研究如雨后春笋般涌现出来。如中国科学院物理研究所、武汉大学、复旦大学、中国科学技术大学、北京理工大学、伍仑贡大学、首尔大学、南洋理工大学、美国阿贡国家实验室、得克萨斯大学奥斯汀分校等国内外科研机构都在致力于钠离子电池的基础研究工作。同时,以中科海钠、浙江钠创、辽宁星空等为代表的国内生产企业也为钠离子电池的实用化推进做出了重要贡献。

与传统储能体系相比,钠离子电池具有成本低廉、原料易得、绿色环保、安全可靠的优势,并且兼顾了较高的能量密度、功率密度和较长的循环寿命。对于没有场地限制和环境限制的大规模储能设备来说,钠离子电池是理想的选择。此外,钠离子电池在低速电动车、家庭储能、电动船等领域也有广阔的应用前景。

近年来,钠离子电池的研究工作取得了突破性进展,涵盖了正极材料、负极材料、电解质及全电池的匹配和组装。具有代表性的正极材料包括层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝及其类似物等;负极材料包括碳基负极材料、钛基化合物、转化反应型化合物、金属间化合物等;电解质包括有机电解液、离子液体电解液、高浓度盐水系电解液、固态电解质等。全电池的组装与匹配涉及正负极相容性研究、成品化全电池开发、柔性电池及新型器件开发等。与此同时,测试表征技术的飞速发展也大大缩短了钠离子电池的研发时间。利用球差电镜、同步辐射、中子衍射、固态核磁等一系列先进技术,深入研究了电极材料的储钠机理、界面演化和力学性质。本书编写于钠离子电池基础研究和钠离子电池产业应用的蓬勃发展时期。在下一步工作中,需要从应用的角度研究钠离子电池,重点关注电极材料和电解质的界面相容性,进一步解决钠离子电池的反应动力学迟缓问题,提高钠离子电池的循环稳定性。

在本书的编写过程中,王紫恒、周佳辉、江颖等博士研究生结合自己的研究工作为本书的撰写做出了重要贡献。楚迪童、位广玲、李成、张壹心、李泽华、郝宇童等硕士研究生在本书的撰写过程中进行了大量的文献收集、数据整理、图表编制等工作。在此,对他们的努力表示诚挚的感谢。

与此同时,我们要特别感谢电子工业出版社的相关编辑在本书出版过程中给予的帮助与支持。

目前,钠离子电池处于飞速发展阶段,其研究范围涉及材料、物理、化学等多学科。由于作者的学识和能力有限,书中难免有疏漏和不足之处,敬请各位同行和读者批评指正。

编 者

2020年10月

于北京理工大学