钠电聚阴离子正极材料的先进表征技术

提示 ： 点击上方 " CamCellLab "， 关注本公众号。

图1. 钠离子电池聚阴离子型正极材料中的先进表征技术总结

近日，东北师范大学吴兴隆课题组，在国际知名期刊Materials Today上发表题为“Emerging characterization techniques for delving polyanion-type cathode materials of sodium-ion batteries”的综述文章。

该文章综述了钠离子电池聚阴离子型正极材料中涉及的先进表征技术，从结构、形貌、组成以及充放电过程中的原位/现场表征技术等方面，详细讨论了每种技术的检测原理、应用范围、可获得的信息和局限性，总结了这些技术在聚阴离子型材料表征中的最新进展，并提出了几个具体且实用的研究方向。文章的第一作者是东北师范大学物理学院的郭晋芝博士。

1. 先进的材料表征技术

材料的研究离不开各种表征技术，它们相互影响、相互促进。根据表征信息的不同，电极材料常用的表征技术主要可分为成分分析、形貌表征和结构表征三大类，如XRD、SEM、TEM、XPS、拉曼光谱、红外光谱等可以基本确定材料的晶体结构、微观结构和成分。但是这些传统技术精度不高，不能获得更全面的信息，逐渐不能满足当前正极材料研究的需要。

随着科学技术的发展，先进的表征技术在聚阴离子型正极材料中的应用越来越广泛，本文系统总结了聚阴离子型正极材料的最新表征技术，主要包括晶体结构、形貌、化学成分、价态等方面的表征技术。与晶体结构相关的技术，如XRD、SXRD、ND已被证明是跟踪电化学过程中结构演化和相变的有力工具。

与微结构相关的技术，如PDF、NMR和STEM，可以深入了解充/放电过程中的局部、原子和电子结构以及演化。与形貌相关的基本形貌表征技术包括SEM、TEM、AFM等，可以提供表面形貌的详细信息，甚至是原子尺度的信息。此外，XAS、EELS、Mössbauer谱和EPR等与组成和价态相关的技术也可以提供有关价态演化和反应机理的有价值的信息。

2. 原位/现场表征技术

与传统的非原位表征技术相比，现代原位/现场表征技术可以通过高时间分辨率表征为研究正极材料在运行中的反应机理提供多角度实时监测，并可以实现对一些敏感电化学系统的检测。

各种原位表征技术具有不同的时间、空间和能量分辨率，利用不同的原位表征技术可以获得大量关于电极结构演变、电化学反应机理和副反应的有力实验数据，因此，可以选择合适的原位表征方法进行电池研究。

本文综述了聚阴离子型正极材料在X射线、电子、中子和光学方面的原位表征技术，详细介绍了每种技术的工作原理、功能、原位电池设计以及在聚阴离子型正极材料中的应用。原位/现场表征技术为监测其结构、形貌和组成的演变以及相变过程提供了可能，有利于更深入地探究聚阴离子型正极材料的反应机理。

图2. 聚阴离子型正极材料的原位/现场表征技术

近年来，各种先进的表征技术，特别是电化学原位/现场技术的快速发展，为深入分析可充电电池电化学过程中的电化学反应机理和结构-活性关系做出了巨大贡献，也为钠离子电池新型聚阴离子型正极材料的设计和开发提供了新的机遇。为此，我们提出了几个具体而实用的研究方向:

（1）上述技术各有优点，但在应用上也有局限性。只有将各种功能互补的技术相结合，充分发挥每种技术的优势，合理设计实验，特别是电化学原位实验，才能全面、准确地分析聚阴离子型正极材料的整个电化学反应过程。

（2）现代原位/现场表征技术可为研究聚阴离子型正极材料的反应机理提供多角度实时监测而受到广泛关注。然而，在原位条件下的各种先进表征技术仍需进一步改进和发展，设计与各种先进技术相匹配的原位电池模型，优化现有的原位电池模型，以获得可靠的数据，降低应用成本，仍然具有挑战性。原位/现场技术的数据采集与分析系统也需要更加智能化，期望更多的原位技术应用于聚阴离子型正极材料，实现更加系统的实时检测。

（3）在聚阴离子型正极材料中，通过阴/阳离子工程和相工程，追求更高的氧化还原电势和超过两个电子的可逆氧化还原反应，在能量密度方面仍有提升的空间。在聚阴离子型正极材料中，熵策略已成为研究热点，其导致的晶体结构和氧化还原中心的变化以及反应机理也需要先进的表征和测量技术，特别是利用原位技术进行进一步研究。

开发高压电解质和阐明稳定机理是聚阴离子型正极材料商业化应用的另一个挑战。先进的组成/表面和界面相关技术对优化电解质和构建稳定的CEI层具有重要的指导意义。探索更多的实验方法和表征技术，对聚阴离子型正极材料进行精确调制，激发其更高的电化学性能，从而获得高能量密度的钠离子电池正极材料。

总之，新兴表征技术在聚阴离子型正极材料中的应用，在更深层次上充分揭示了反应机理和结构与电化学活性的关系，为开发高性能钠离子电池聚阴离子型正极材料提供了理论指导和技术支持。

声明：欢迎广大学者踊跃投稿 。本栏目信息来源及内容仅作为学术课题研究、技术交流等用途，不作为商业用途；文章观点仅供分享交流，转载请注明出处；如涉及版权等问题，我们将及时沟通处理。本公众号转载内容为传播分享知识资讯。转载版权归原作者，如有版权问题请联系删除。

康桥电池能源CamCell Lab 专注于新型电池技术、数字孪生仿真模型、数据驱动、数据可视化、技术方案研究与专家咨询服务，欢迎关注 。

长按识别二维码

---

关注我们