工程科学学报.第44卷，第X期：1-11.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-11,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.26.001;http://cje.ustb.edu.cn 钠离子电池层状氧化物正极材料研究进展 营夏琰，金俊腾，王瑶，沈秋雨)，刘永畅2，)☒ 1)北京科技大学新材料技术研究院，北京1000832)北京材料基因工程高精尖创新中心，北京1000833)北京科技大学新金属材料国家 重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:liuye@ustb.edu.cn 摘要钠离子电池凭借资源和成本优势在大规模储能和低速电动车领域展现出极大应用前景.层状氧化物理论容量较高 且易于合成，是目前最具应用潜力的钠离子电池正极材料之一，如何改善层状氧化物正极材料的循环稳定性并提升其能量 密度是当前的科学前沿问题.首先，综述了层状氧化物正极材料的几种典型改性方法，从组分设计的角度，探讨了不同掺杂 元素、不同掺杂位点对材料容量和循环寿命的影响，阐述了利用阴离子反应提供额外容量的基本原理，概述了提高阴离子氧 化还原可逆性的掺杂策略：从结构设计的角度，介绍了复合相材料的制备、微观结构的设计和调控等方向的最新进展：从表 面设计的角度，讨论了金属氧化物、磷酸盐等作为包覆层对改善材料稳定性和倍率性能的作用机制.最后，总结了层状氧化 物储钠正极材料现阶段面临的挑战，并对其未来的发展方向进行了展望，提出了新的研究思路 关键词钠离子电池：正极材料：层状氧化物：改性手段：阴离子氧化还原 分类号0646.2：TM9113 Recent progress on layered oxide cathode materials for sodium-ion batteries JIAN Xia-yan,JIN Jun-teng',WANG Yao,SHEN Qiu-yu,LIU Yong-chang23 1)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering,Beijing 100083,China 3)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:liuyc@ustb.edu.cn ABSTRACT Driven by the national strategic goal of"emission peak and carbon neutrality",developing grid-scale energy storage systems(ESSs)for high-efficiency utilization of renewable clean energy is of great importance and urgency.Currently,lithium-ion batteries (LIBs)are being widely used in portable electronics and electric vehicles markets due to their high energy density and long cycling life.Nevertheless,the ever-increasing price and uneven distribution of lithium resources limit the further applications of LIBs for large-scale ESS.Recently,sodium-ion batteries(SIBs)have gained tremendous attention as promising large-scale energy storage devices and low-speed electric vehicle power sources,owing to the low-cost and abundant sodium reserves.However,the larger size and heavier mass of Na'than those of Li'commonly lead to sluggish reaction kinetics,severe volume expansion,and the undesirable structural failure of electrode materials upon charge/discharge,which hinder the commercial value of SIBs.Leveraging high-performance cathode materials is expected to boost the development of SIBs because cathodes largely determine the cost and electrochemical performance of batteries.Among the reported cathode candidates,layered oxide materials hold great potential due to their high capacity and a facile synthesis process,however,these materials face some challenges such as low capacity retention and poor air stability.Recently, exploring appropriate methods to strengthen the structural stability and further enhance the energy density of layered oxides has become an emerging research hotspot.In this regard,various strategies,such as element composition and relative content manipulation and 收稿日期：2021-05-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(21805007,22075016)：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP-20-020A3)钠离子电池层状氧化物正极材料研究进展 菅夏琰1)，金俊腾1)，王    瑶1)，沈秋雨1)，刘永畅1,2,3) 苣 1) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083    2) 北京材料基因工程高精尖创新中心，北京 100083    3) 北京科技大学新金属材料国家 重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: liuyc@ustb.edu.cn 摘    要    钠离子电池凭借资源和成本优势在大规模储能和低速电动车领域展现出极大应用前景. 层状氧化物理论容量较高 且易于合成，是目前最具应用潜力的钠离子电池正极材料之一. 如何改善层状氧化物正极材料的循环稳定性并提升其能量 密度是当前的科学前沿问题. 首先，综述了层状氧化物正极材料的几种典型改性方法，从组分设计的角度，探讨了不同掺杂 元素、不同掺杂位点对材料容量和循环寿命的影响，阐述了利用阴离子反应提供额外容量的基本原理，概述了提高阴离子氧 化还原可逆性的掺杂策略；从结构设计的角度，介绍了复合相材料的制备、微观结构的设计和调控等方向的最新进展；从表 面设计的角度，讨论了金属氧化物、磷酸盐等作为包覆层对改善材料稳定性和倍率性能的作用机制. 最后，总结了层状氧化 物储钠正极材料现阶段面临的挑战，并对其未来的发展方向进行了展望，提出了新的研究思路. 关键词    钠离子电池；正极材料；层状氧化物；改性手段；阴离子氧化还原 分类号    O646.2;TM911.3 Recent progress on layered oxide cathode materials for sodium-ion batteries JIAN Xia-yan1) ，JIN Jun-teng1) ，WANG Yao1) ，SHEN Qiu-yu1) ，LIU Yong-chang1,2,3) 苣 1) Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering, Beijing 100083, China 3) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: liuyc@ustb.edu.cn ABSTRACT    Driven by the national strategic goal of “emission peak and carbon neutrality”, developing grid-scale energy storage systems  (ESSs)  for  high-efficiency  utilization  of  renewable  clean  energy  is  of  great  importance  and  urgency.  Currently,  lithium-ion batteries (LIBs) are being widely used in portable electronics and electric vehicles markets due to their high energy density and long cycling life. Nevertheless, the ever-increasing price and uneven distribution of lithium resources limit the further applications of LIBs for large-scale ESS. Recently, sodium-ion batteries (SIBs) have gained tremendous attention as promising large-scale energy storage devices and low-speed electric vehicle power sources, owing to the low-cost and abundant sodium reserves. However, the larger size and heavier mass  of  Na+ than  those  of  Li+ commonly  lead  to  sluggish  reaction  kinetics,  severe  volume  expansion,  and  the  undesirable  structural failure of electrode materials upon charge/discharge, which hinder the commercial value of SIBs. Leveraging high-performance cathode materials is expected to boost the development of SIBs because cathodes largely determine the cost and electrochemical performance of batteries. Among the reported cathode candidates, layered oxide materials hold great potential due to their high capacity and a facile synthesis  process;  however,  these  materials  face  some  challenges  such  as  low  capacity  retention  and  poor  air  stability.  Recently, exploring appropriate methods to strengthen the structural stability and further enhance the energy density of layered oxides has become an  emerging  research  hotspot.  In  this  regard,  various  strategies,  such  as  element  composition  and  relative  content  manipulation  and 收稿日期: 2021−05−26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（21805007，22075016）；中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-20-020A3） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−11，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−11, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.26.001; http://cje.ustb.edu.cn