張三佩，溫兆銀

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鈉-空氣電池研究評(píng)述

張三佩，溫兆銀

（中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050）

由于成本廉價(jià)、儲(chǔ)存豐富的鈉資源及其電池的高能量密度，二次鈉-空氣電池的研究引起了人們廣泛的關(guān)注。不同于其它金屬-空氣電池的電化學(xué)機(jī)理的發(fā)現(xiàn)給鈉-空氣電池的發(fā)展帶來(lái)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)以及挑戰(zhàn)。本文全面地論述了目前鈉-空氣電池的研究現(xiàn)狀，對(duì)基于不同放電產(chǎn)物的電化學(xué)機(jī)理發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，并提出可能的解決辦法，最后對(duì)鈉-空氣電池研究的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，并展望了其未來(lái)研究方向。

鈉-空氣電池；高比能量密度；反應(yīng)機(jī)制；

傳統(tǒng)化石能源的短缺及過(guò)度開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的破壞，促使人類(lèi)積極尋求更加環(huán)保的可再生能源。在能源領(lǐng)域內(nèi)，可再生能源不僅被視為解決環(huán)境問(wèn)題的有效途徑，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，也極有可能是滿(mǎn)足人類(lèi)能源需求的最重要的解決方案之一。但將可再生能源并入到電網(wǎng)中有一個(gè)大障礙，即可再生資源發(fā)電具有波動(dòng)性、間歇性與不可預(yù)測(cè)性，隨著其發(fā)電并網(wǎng)比例上升，電網(wǎng)波動(dòng)性會(huì)顯著增加，穩(wěn)定性降低，而且成本將大幅度提高。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，必須規(guī)劃相應(yīng)的儲(chǔ)能技術(shù)。

目前儲(chǔ)能電池是大力發(fā)展儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要技術(shù)，全世界各國(guó)政府都在大規(guī)模發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)[1]。美國(guó)能源部于2012年投入2000萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，且計(jì)劃隨后每年投入1500萬(wàn)美元。德國(guó)政府將在2011—2018年期間投入高達(dá)2億歐元用于大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的研究。同時(shí)，日本政府于近期成立新能源和工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織，該組織旨在大力發(fā)展先進(jìn)能量存儲(chǔ)技術(shù)。

近年來(lái)，我國(guó)也在儲(chǔ)能領(lǐng)域出臺(tái)多項(xiàng)利好政策，“十三五”規(guī)劃建議中就提到，要進(jìn)一步提升儲(chǔ)能技術(shù)和加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)。由國(guó)家能源局牽頭、工信部等參與制定的《能源互聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》提出要重點(diǎn)發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，開(kāi)發(fā)高效率、多類(lèi)型、大容量、長(zhǎng)壽命和低成本的儲(chǔ)能系統(tǒng)，推動(dòng)大規(guī)模儲(chǔ)能電站的配置，推動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備在樓宇、校區(qū)、家庭應(yīng)用場(chǎng)景下的儲(chǔ)能設(shè)備的即插即用、混合配置、友好并網(wǎng)和高效管理?！笨梢灶A(yù)見(jiàn)，“十三五”規(guī)劃將支持儲(chǔ)能技術(shù)得到飛躍式發(fā)展。

鋰離子電池作為市場(chǎng)上較為成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，在過(guò)去二十年得到飛速的發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)交通工具等領(lǐng)域。但鋰離子電池的容量極大地受到了其正極材料的制約[2-3]，因此發(fā)展高能量密度的二次電池迫在眉睫[4]，金屬-空氣電池因具有極高的理論能量密度而受到了廣泛的關(guān) 注[5]。金屬空氣電池是以氧氣或者空氣為正極發(fā)生還原反應(yīng)得到電子，金屬作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子從而實(shí)現(xiàn)電流輸出的二次電池。由于空氣電池是以空氣中源源不斷的氧氣作為陰極，而且不需要儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，因此金屬-空氣電池具有很高的理論能量密度。

鈉元素作為僅次于鋰的第二輕的金屬元素，在地殼中豐度高達(dá)2.3%～2.8%。因此相對(duì)于其它金屬元素，將鈉應(yīng)用于二次電池儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，具有巨大商業(yè)價(jià)值和可持續(xù)利用的潛力[6-7]。鈉-空氣電池的研究雖然起步較晚，但是隨著各項(xiàng)研究的深入開(kāi)展，越來(lái)越多的新型的電化學(xué)和催化機(jī)理被發(fā)現(xiàn)而受到廣泛的關(guān)注[8-9]。其中，不同的放電產(chǎn)物被驗(yàn)證，特別是超氧化鈉的發(fā)現(xiàn)對(duì)于鈉空氣電池的發(fā)展具有特殊的意義。但是目前相關(guān)研究還較少，且測(cè)試環(huán)境和條件對(duì)于電池電化學(xué)過(guò)程和性能影響較大，因而對(duì)鈉空氣電池充放電機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然存在較大爭(zhēng)議。結(jié)合目前鈉-空氣電池研究現(xiàn)狀，本文將從不同放電產(chǎn)物角度對(duì)有機(jī)電解液體系的二次鈉-空氣電池的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)對(duì)其相應(yīng)的電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行深入分析。

1 基于超氧化鈉為放電產(chǎn)物的鈉-空氣電池

盡管Li和Na具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，但是它們與O之間的電化學(xué)反應(yīng)卻有很大不同[10]。Na可以與O反應(yīng)形成穩(wěn)定的NaO2放電產(chǎn)物，但是LiO2放電產(chǎn)物卻非常不穩(wěn)定。因此在Na-O2電池中，分別以NaO2和Na2O2為放電產(chǎn)物的反應(yīng)將相互競(jìng)爭(zhēng)。雖然從熱動(dòng)力學(xué)角度分析，Na2O2比NaO2更容易作為電池充放電過(guò)程的中間放電產(chǎn)物[E(Na2O2) = 2.33 V，E(NaO2) = 2.27 V]，但是相比基于雙電子轉(zhuǎn)移機(jī)制形成Na2O2的過(guò)程，NaO2的電化學(xué)反應(yīng)為單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，在動(dòng)力學(xué)上更傾向于生成NaO2。HARTMANN等[10-11]最早報(bào)道了以超氧化鈉為放電產(chǎn)物的Na-O2電池（Na + O2NaO2），該反應(yīng)的理論放電電壓級(jí)為2.26 V。在電池的充放電測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電池的首周放電平臺(tái)約為2.2 V，值得注意的是，電池的充電過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)高極化電壓的現(xiàn)象，首周充電為2.3 V左右，如圖1所示，表現(xiàn)出優(yōu)異的能量效率和可逆性能。但是由于NaO2的形成并不穩(wěn)定，而且不同的放電產(chǎn)物都被報(bào)道，因此以下將根據(jù)目前報(bào)道的研究結(jié)果主要討論對(duì)于NaO2放電產(chǎn)物穩(wěn)定形成的可能影響因素。

1.1 測(cè)試氣氛對(duì)超氧化鈉放電產(chǎn)物形成的影響

電池的測(cè)試環(huán)境對(duì)于Na-O2電池的充放電過(guò)程有非常大的影響。根據(jù)HARTMANN等[12]報(bào)道的基于NaO2為放電產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，是將電池放置于氧氣量為9 cm3的封閉體系中進(jìn)行充放電得到超氧化鈉，即Na + O2NaO2（?=?218.4 kJ/mol）。ZHAO等[13]研究了測(cè)試氣氛組成成分對(duì)于電池電化學(xué)過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)相比于高純氧的測(cè)試環(huán)境，NaO2電池在O2/Ar混合氣體的密閉體系中能夠穩(wěn)定地可逆生成，且電池表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的循環(huán)性能，如圖2(a)和2(b)所示。因此結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)研究方程，NaO2放電產(chǎn)物在低氧分壓的條件下容易得到，且氧氣濃度越低，放電產(chǎn)物越穩(wěn)定。

KANG等[14]通過(guò)第一性原理計(jì)算了Na-O化合物與溫度、氧分壓和顆粒尺寸之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果表明超氧化鈉納米級(jí)別和高氧分壓條件下更容易穩(wěn)定存在，如圖2(c)和2(d)所示。同時(shí)，由NaO2與Na2O2相互之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)Na2O2+ O22NaO2可以發(fā)現(xiàn)，在高氧分壓的條件下，更傾向于形成NaO2作為放電產(chǎn)物，這與以NaO2為放電產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)中密閉氧氣氛條件下的測(cè)試過(guò)程不符。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)（圖3），在電池進(jìn)行深度放電時(shí)，放電產(chǎn)物NaO2的粒度達(dá)到10mm以上[10-15]，但是仍然能夠穩(wěn)定的存在，這與計(jì)算結(jié)果也不同。因此對(duì)于NaO2放電產(chǎn)物的形成機(jī)理還有待深入分析。

1.2 電解液對(duì)超氧化鈉放電產(chǎn)物形成的影響

由于Na-O2電池空氣電極的電化學(xué)反應(yīng)涉及到復(fù)雜的氣-液-固三相體系，且電解液暴露于高活性的氧氣氣氛中極易分解，因此Na-O2電池的電化學(xué)穩(wěn)定性與電解液密切相關(guān)。在目前已報(bào)道的基于NaO2和LiO2為放電產(chǎn)物的研究結(jié)果中，基于超氧化合物的鋰/鈉-空氣電池的電解液體系為醚類(lèi)。

考慮到超氧化鈉電池是在密閉氣氛環(huán)境中進(jìn)行電化學(xué)循環(huán)測(cè)試，電解液的揮發(fā)可以忽略不計(jì)。此外，由于NaO2電池具有非常低的充電電壓，可以有效地避免電解液在高電壓的條件下發(fā)生分解，因此對(duì)于電池的可逆性能會(huì)有明顯的改善作用，但是目前報(bào)道的NaO2電池并沒(méi)有表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的長(zhǎng)循環(huán)性能[11-16]。

YANG等[17]通過(guò)密度泛函和準(zhǔn)粒子GW方法分別計(jì)算了NaO2和Na2O2的導(dǎo)電性及其反應(yīng)電化學(xué)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)NaO2和Na2O2的電子導(dǎo)電性都較低，而且計(jì)算結(jié)果表明，NaO2電池具有較高的能量效率可能與電解液的分解有很大的聯(lián)系。

綜上所述，雖然對(duì)于鋰/鈉-空氣電池體系，醚類(lèi)電解液表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，但是醚類(lèi)電解液在長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中的穩(wěn)定性及與超氧化物之間的穩(wěn)定兼容性還有待進(jìn)一步研究，新型穩(wěn)定的電解液體系的研究仍然非常重要。

1.3 電極材料對(duì)超氧化鈉放電產(chǎn)物形成的影響

電極材料對(duì)于金屬-空氣電池的中間放電產(chǎn)物的形成非常重要。LU等[18]發(fā)現(xiàn)LiO2晶體可以利用一種合適的正極材料（用銥納米顆粒裝點(diǎn)的還原氧化石墨烯）在Li-O2電池中被穩(wěn)定，如圖4所示。因此電極材料的選擇對(duì)于超氧化鈉的穩(wěn)定存在有較大的影響。

圖4（a）基于超氧化鋰放電產(chǎn)物的Li-O2電池循環(huán)曲線；（b）放電后空氣電極SEM圖[18]

Fig.4 (a) Cycling performance of the Li-O2batteries based on LiO2as discharge products; (b) SEM images of discharged products on the surface of cathode[18]

BENDER等[11]系統(tǒng)研究了不同碳材料作為電池空氣電極對(duì)電池電化學(xué)過(guò)程的影響，雖然基于不同的碳材料的Na-O2電池的容量和充放電電壓平臺(tái)有一定的不同，但是對(duì)超氧化鈉放電產(chǎn)物的穩(wěn)定形成并沒(méi)有明顯的影響，如圖5所示。

目前NaO2電池普遍采用碳材料作為電池的空氣電極材料。值得注意的是，目前還沒(méi)有報(bào)道金屬氧化物、貴金屬等非碳材料被用來(lái)作為基于NaO2為放電產(chǎn)物的Na-O2電池正極材料。因此，不同的電極材料，特別是非碳的正極材料對(duì)于NaO2的穩(wěn)定形成有待進(jìn)一步研究和探索。

2 基于其它放電產(chǎn)物的鈉-空氣電池

盡管基于NaO2為放電產(chǎn)物的Na-O2電池具有低過(guò)電勢(shì)、高能量效率等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注，但由于其穩(wěn)定性較差且形成機(jī)理尚不清楚[19]，因此仍然有大量的研究報(bào)道Na2O2、NaOH和Na2CO3等其它放電產(chǎn)物。而且以非NaO2為放電產(chǎn)物的Na-O2電池表現(xiàn)出與Li-O2電池相似的電化學(xué)特征。

SUN等[20]以1 mol/L NaPF6/EC-DMC為電解液，類(lèi)金剛石為正極首次證實(shí)了室溫鈉-空氣電池的可逆性，且其電化學(xué)特征與鋰-空氣電池類(lèi)似，即發(fā)生反應(yīng)：Na + O2Na2O2[?(-449.6 kJ/mol)=]。電池在運(yùn)行的過(guò)程中可逆地生成Na2O2，根據(jù)法拉第定律，電池的理論放電電壓約為2.33 V，實(shí)驗(yàn)中首周放電電壓在2.3 V左右，對(duì)電池進(jìn)行深度充放電時(shí)，電池的充電電壓較高，能量效率較低，且電池的循環(huán)性能較差。目前圍繞空氣電極、催化劑、電解液等，開(kāi)展了諸多研究工作，以下分類(lèi)進(jìn)行闡述。

2.1 電解液的研究

與鋰-空氣電池類(lèi)似[21]，目前鈉-空氣電池使用的電解液主要分為使用醚類(lèi)和碳酸酯類(lèi)。KIM等[22]對(duì)不同電解液體系電池的電化學(xué)機(jī)理和放電產(chǎn)物開(kāi)展系統(tǒng)研究和對(duì)比，通過(guò)XRD、FTIR和XPS等分析手段，他們發(fā)現(xiàn)在碳酸酯類(lèi)電解液體系中，鈉-空氣電池的充放電機(jī)理與鋰-空氣電池類(lèi)似，電池的放電產(chǎn)物主要為碳酸鈉。在PC基電解液體系中，充放電過(guò)程中獲得電子后的高活性O(shè)2-攻擊酯類(lèi)電解液發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)氧碳酸烷基酯，進(jìn)一步分解產(chǎn)生H2O和CO2，由于放電過(guò)程產(chǎn)生的Na-O化合物非?；顫姡瑯O易與CO2等副產(chǎn)物反應(yīng)生成不可逆的碳酸鈉。KWAK等[23]和ZHANG等[24]使用含有不同電解質(zhì)鹽的PC電解液中也證實(shí)了放電產(chǎn)物碳酸鈉的生成。從上述報(bào)道的研究結(jié)果可以看出，使用碳酸酯類(lèi)電解液電池的主要放電產(chǎn)物是Na2CO3，且放電產(chǎn)物的形成不受電解質(zhì)類(lèi)型的 影響。

對(duì)于醚類(lèi)電解液體系，KIM等[22]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電解液體系處在開(kāi)放氣氛的條件下時(shí)，在電池循環(huán)過(guò)程中四乙二醇二甲基醚（TEGDME）電解液極易分解產(chǎn)生水，他們?cè)陔姵氐闹饕烹姰a(chǎn)物Na2O2?H2O中檢測(cè)到少量的NaOH，這可能是由于Na2O2與H2O發(fā)生反應(yīng)生成的。電池在充放電循環(huán)過(guò)程中，由氧氣得電子形成的高活性O(shè)2-容易攻擊四乙二醇二甲基醚，生成的高活性過(guò)氧醚自由基進(jìn)一步分解為H2O和CO2。同時(shí)高活性O(shè)2-還與Na+生成NaO2，經(jīng)歧化反應(yīng)得到Na2O2和O2。因此電池的放電產(chǎn)物為含有少量NaOH的Na2O2?H2O。在其它醚類(lèi)電解液體系中Na2O2?H2O放電產(chǎn)物也得到證實(shí)[25]。

電解液體系對(duì)于電池電化學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用[26]。目前，基于氧化還原中間體的電解液添加劑的引入對(duì)于金屬-空氣電池的性能有顯著的改 善[27]。FU等[28-29]發(fā)現(xiàn)在醚類(lèi)電解液中加入可溶的添加劑[NaI和Fe(C5H5)2]作為氧化還原中間體，可以明顯提高電池的循環(huán)性能，為繼續(xù)改善電池循環(huán)性能提供了新的思路。在醚類(lèi)電解液中，氧化還原中間體不僅作為電子-空位轉(zhuǎn)移介質(zhì)參與放電過(guò)程，還在充電過(guò)程中對(duì)放電產(chǎn)物的分解有明顯的催化作用，降低充電電壓，提高電池的能量效率[30]。

綜上所述，對(duì)于Na-O2電池電解液的研究主要圍繞碳酸酯類(lèi)和醚類(lèi)體系。在開(kāi)放的電池體系中碳酸酯類(lèi)電解液極易受到高活性O(shè)2-的作用而分解，醚類(lèi)電解液與之相比雖然穩(wěn)定性較好，但是在長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中仍然面臨揮發(fā)和分解等一系列問(wèn)題。因此，探索新型的更加穩(wěn)定的電解液仍然是鈉-空氣電池需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.2 氧氣電極材料的研究

二次鈉-空氣電池的實(shí)際容量、能量效率和循環(huán)性能與空氣電極材料及其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。與鋰-空氣電池類(lèi)似，鈉-空氣電池在放電過(guò)程中，不溶于電解液的Na-O放電產(chǎn)物沉積在空氣電極的微孔孔道中，為了保證良好的氣體輸運(yùn)和提供放電產(chǎn)物沉積的空間，目前大量工作圍繞鈉-空氣電池的空氣電極開(kāi)展微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步促進(jìn)電池放電產(chǎn)物更高效地可逆生成和分解，提高空氣電極材料的催化活性非常必要。有關(guān)空氣電極材料的研究，主要集中在碳、金屬氧化物及貴金屬等方面。

目前石墨烯等二維材料被廣泛研究應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[31-32]。在鈉-空氣電池中，由于石墨烯具有高比表面積且易于改性而經(jīng)常被作為空氣電極，它不僅構(gòu)成電池的空氣電極材料，更表現(xiàn)出客觀的催化性能。LIU等[33]將石墨烯納米片（GNSs）用作鈉-空氣電池正極材料，首周放電容量高達(dá)6208 mA·h/g，且在限制容量（1200 mA·h/g）的條件下得到良好的循環(huán)性能，如圖6(a)所示。盡管石墨烯納米片的高比表面比有利于放電產(chǎn)物的沉積，但是對(duì)放電產(chǎn)物還原反應(yīng)的催化效果并不明顯，導(dǎo)致電池的充電電壓極化較大。LI等[34]對(duì)石墨烯納米片進(jìn)行氮摻雜的改性（N-GNSs）并用作空氣電極，電池的充電電壓明顯降低，如圖6(b)所示，但是電池的循環(huán)性能不佳且?guī)靵鲂实停@表明電池可逆性能較差。ZHANG等[35]針對(duì)目前鈉-氧氣電池放電產(chǎn)物導(dǎo)電性差且尺寸較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合成了無(wú)黏結(jié)劑的泡沫鎳自支撐氮摻雜石墨烯氣凝膠（3D N-GA@Ni）。氮摻雜石墨烯氣凝膠的三維結(jié)構(gòu)不僅能夠?yàn)檠鯕獾膫鬏斕峁┩ǖ?，同時(shí)能夠提供大量的比表面積以沉積放電產(chǎn)物。高分散的氮摻雜位點(diǎn)在有利于分散沉積電池的放電產(chǎn)物的同時(shí)，還能有效地提高電池對(duì)放電產(chǎn)物的還原能力，如圖6(c)、6(d)和6(e)所示。

規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的碳材料作為鈉-空氣電池空氣電極，可大大地提高實(shí)際的放電容量和電池的循環(huán)性能。SUN等[36]將氮摻雜碳納米管作為鈉-空氣電池的空氣電極，納米管的中空管結(jié)構(gòu)不僅有利于運(yùn)輸氣體，同時(shí)能保證電極與電解液之間的充分接觸，此外，碳管表面的氮摻雜的活性位點(diǎn)對(duì)放電產(chǎn)物的還原表現(xiàn)出可觀的催化活性。KWAK等[23]將介孔碳作為空氣電極，利用其介孔孔道有效地控制放電產(chǎn)物顆粒的尺寸，顯著改善了電池的循環(huán)性能，但是電池充電過(guò)程中充電電壓較高，能量效率較低。

金屬或者金屬化合物催化劑在鈉-空氣電池中的研究目前還比較少。HU等[37]將鈣鈦礦型CaMnO3多孔微球材料用作空氣電極，電池的首周放電容量達(dá)到9560 mA·h/g。這種多孔微球結(jié)構(gòu)在電解液中穩(wěn)定，且對(duì)放電產(chǎn)物有明顯的催化還原效果，電池的循環(huán)穩(wěn)定性得到了明顯的提高，如圖7(a)所示。ZHANG等[24]的工作發(fā)現(xiàn)石墨烯復(fù)合鉑作為催化劑對(duì)電池的電化學(xué)性能有較好的改善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明鉑對(duì)于充電極化電壓并沒(méi)有明顯的降低[圖7(b)]。鉑有機(jī)電解液體系鋰-空氣電池的充電電壓，但是也容易導(dǎo)致電解液的分解[38]。因此，鉑在鈉-空氣電池和鋰-空氣電池中的催化機(jī)理不同。

綜上所述，鈉-空氣電池的空氣電極材料的研究圍繞碳材料展開(kāi)，雖然有少數(shù)關(guān)于金屬化合物催化劑的報(bào)道，但催化效果并不理想。電極材料的設(shè)計(jì)主要朝著改善鈉-空氣電池高過(guò)電勢(shì)等問(wèn)題，減少鈉氧化物對(duì)空氣正極的阻塞、提高電極電導(dǎo)率和O2的擴(kuò)散速率等方面進(jìn)行。因此在空氣正極材料的研究中，進(jìn)一步提高電極材料的催化性能和電池的循環(huán)穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的鈉資源及其非常高的理論能量密度，二次鈉-空氣電池的研究引起了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究工作發(fā)展迅速。然而，對(duì)于鈉-空氣電池的開(kāi)發(fā)時(shí)間相對(duì)較晚，關(guān)于Na-O2電池的機(jī)理認(rèn)識(shí)還存在較大爭(zhēng)議。

針對(duì)于基于NaO2為放電產(chǎn)物的Na-O2電池，電池具有低過(guò)電勢(shì)和高能量效率等優(yōu)勢(shì)，但是超氧化合物穩(wěn)定存在的條件還有待進(jìn)一步研究，且在此條件下電解液的穩(wěn)定兼容性仍需確定，非碳材料的空氣電極體系研究仍然為空白。

基于Na2O2為放電產(chǎn)物的Na-O2電池與Li-O2電池有相似的電化學(xué)特征，高極化電壓和循環(huán)壽命仍然是其主要問(wèn)題，開(kāi)發(fā)高效的催化劑和電解液添加劑是目前較好的解決辦法。

盡管目前的鈉-空氣電池研究還有諸多問(wèn)題，但超氧化鈉放電產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)和廉價(jià)的鈉資源使它具有相比于其它金屬-空氣電池更加明顯的優(yōu)勢(shì)，具有潛在的應(yīng)用前景。但由于其特殊的電化學(xué)過(guò)程和復(fù)雜的氣-液-固三相體系，該電池體系涉及諸多方面的問(wèn)題，因而對(duì)這些規(guī)律的深入探索要面臨巨大挑戰(zhàn)。

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Review on sodium-air batteries

ZHANG Sanpei，WEN Zhaoyin

(Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

Rechargeable sodium-air batteries have been the focus in recent years, owing to the low cost and natural abundance of sodium and high energy density. The discovered different electrochemical mechanism from other metal-air batteries bring unique advantages and challenges to the development of sodium-air batteries. This review comprehensively conclude the key problems and development of different electrochemical mechanism. In the last, remarks are made on the further developments of sodium-air batteries.

secondary sodium-air batteries; high energy density; reaction mechanism

10.3969/j.issn.2095-4239.2016.03.001

O 646.21；TM 911.41

A

2095-4239（2016）03-249-09

2016-04-02；修改稿日期：2016-04-15。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51432020）及上海市科委項(xiàng)目（14JC1493000）。

張三佩（1990—），男，博士研究生；通訊聯(lián)系人：溫兆銀，研究員，主要研究方向?yàn)殁c（硫）電池及全固態(tài)鋰離子電池、鋰空氣/鋰硫等新型二次電池，E-mail：zywen@mail.sic.ac.cn。