低成本硫酸铁钠正极材料的理性设计与储能型钠离子电池前瞻性应用

钠离子电池（SIBs）因其资源丰富性和本征安全性，被视为未来储能系统中锂离子电池（LIBs）极具前景的弥补技术。在许多正极材猜中，硫酸铁钠仰仗其高作业电压、优异倍率功用、长循环寿数、高安全性以及优异的高低温适应性等优势组合，已引起学术界广泛注重。可是，硫酸铁钠的实践运用遭到若干明显应战的束缚，包括电子传导率低、吸湿性行为以及杂质相的存在。本总述全面总结了硫酸铁钠领域的最新研讨进展，并通过组成工艺优化与材料规划的改性战略，讨论了进步其电化学功用的途径。结合高压钠离子电池电解质的优化战略，本文提出了针对NFS正极材料的定制化规划原则。此外，本文还供应了硫酸铁钠的技术经济评价与未来展望，以促进其在钠离子电池（SIBs）中的运用开展。

图文摘要

硫酸铁钠是一种极具前景的钠离子电池正极材料，但其本征低电导率、吸湿性及杂质分布问题阻碍了实践运用。我们提出了一套包括材料规划（如元素替代、外表工程、微观描摹规划与多相构建）与组成工艺优化（如配料、组成与烧结）的概括性战略，并结合定制化电解质工程，以进步其功用与运用潜力。
高效储能技术对全球动力转型完结碳中和目标至关重要。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和老练的制造工艺，已成为储能系统、电动汽车及便携式电子设备的首选电源。可是近期锂离子电池产业的指数级增长对矿藏供应链造成了巨大压力[1,2]。主要问题在于锂资源的地舆集中性导致了严峻的供需失衡。锂仅占地壳质量的0.0065%，且全球约53%具有经济开采价值的锂储量集中分布在南美洲"锂三角"区域（智利、阿根廷和玻利维亚）[3]，进一步加剧了资源稀缺性。2022至2025年间剧烈的价格动摇导致电池制造本钱难以预测，对新动力产业链的安稳性构成严峻要挟。此期间碳酸锂价格从每吨60万元人民币的峰值暴降至10万元，随后又回升至约30万元/吨（图1a）。为应对这些应战，全球科学界与工业界正在加速研讨锂离子电池的替代及弥补技术。
在许多被研讨的替代技术中，钠离子电池（SIBs）因其资源丰富性和本征安全优势（图1c）[4,5]而遭到广泛注重。钠的地壳丰度达2.74 wt%，储量约为锂的423倍且全球分布广泛。海水与盐湖中近乎取之不尽的氯化钠资源，供应了极具可继续性的原材料。值得注意的是，钠离子电池彻底规避了与锂资源相关的地缘政治风险，为完结动力独立供应了可靠的技术途径。当时干流钠离子电池正极材料包括层状过渡金属氧化物[[6], [7], [8], [9]]、普鲁士蓝（白）类化合物[[10], [11], [12], [13]]以及聚阴离子化合物[[14], [15], [16], [17]]。其间，聚阴离子化合物（主要为磷酸盐、硅酸盐和硫酸盐）因其由强共价键构建的安稳三维骨架结构，展现出杰出的结构安稳性和长寿数潜力。这些特性使其成为开发高安全性、长寿数储能电池的要害候选材料。
可是，在聚阴离子材猜中，硅酸盐虽具有较高的理论比容量，但其实践容量明显偏低，且在初次脱钠后易发生结构崩塌[18,19]。磷酸盐面对的中心应战在于其固有低电压，这受限于磷元素的低电负性。由于诱导效应较弱，马里赛特/橄榄石型NaFePO4的均匀电压4低于2.5 V（相对于Na⁺+/Na）[20,21]。相比之下，硫酸盐展现出一起优势：硫元素的高电负性使得SO₄²⁻42−具有强诱导效应的聚阴离子，从而进步作业电压（>3 V vs. Na+/Na）。此外，该材料可在低温（350°C）下组成，明显下降能耗与本钱[22,23]。在硫酸铁钠（NFS）系统中，Na2Fe2(SO4)3作为此类正极材料的代表，因其高电压（3.8 V vs. Na）等概括优势，展现出高功用钠离子电池的巨大潜力。+/Na），具有优异的倍率功用、长循环寿数、高安全性以及良好的温度适应性[24,25]。因此，NFS仰仗其低温组成道路，展现出与生俱来的概括功用优势，以及在本钱和能效方面的明显竞争力。跟着其工业化供应链的日趋老练，该材料正成为满意电动汽车运用和储能系统日益增长需求的重要候选正极材料，特别适用于对高倍率功用、低本钱和安全性要求严苛的领域，例如启停电池系统。可是，NFS仍面对若干固有应战，包括聚阴离子骨架电子绝缘特性导致的本征低电导率、热力学不安稳性与外表水合反响引发的吸湿行为，以及普遍存在的杂质相[24]。为此，研讨者提出了多种应对战略。为清晰未来研讨方向，有必要对NFS正极材料功用进步战略进行系统性总述与讨论。
本总述系统梳理了NFS正极材料的最新研讨进展，关键讨论了通过组成工艺优化与材料规划进步其电化学功用的战略。相较于早期总述，本研讨初次建立了外表工程中碳源的选择标准，并提出了根据晶体半径选择的元素替代办法，为未来研讨方向供应了新指引。我们还针对NFS系统提出了高电压电解液的规划原则，并对NFS正极进行了全面的技术经济性评价，包括本钱效益分析与可继续收回潜力证明。最终，本文展望了NFS正极在先进钠离子电池中的运用前景。