综述：从材料到系统：快充/快放钠离子电池的挑战与解决方案

《Advanced Energy Materials》：From Materials to Systems: Challenges and Solutions for Fast-Charge/Discharge Na-Ion Batteries

　　钠离子电池（SIBs）通过多尺度优化实现快充：材料层面采用层状氧化物、普鲁士蓝类似物和聚阴离子化合物正极，以及硬碳、插入型及合金型负极；界面通过添加剂、涂层和固态电解质稳定；系统优化热管理和实时监测。研究揭示了材料退化机制及协同策略，为高功率应用奠定基础。

　　
钠离子电池（SIBs）作为锂离子电池的替代方案，凭借钠资源丰富、电压平台稳定、与现有锂电设备兼容等优势，在电网级储能、电动汽车等领域展现出巨大潜力。然而，快充/放电性能的瓶颈仍集中在材料动力学、界面稳定性及系统集成三个层面。本文系统综述了近年来在这三个维度的关键突破，为高功率钠离子电池的产业化提供了理论支撑和技术路线。

### 一、材料层面的突破性进展
#### 1. 正极材料的多尺度优化设计
- **层状氧化物（Layered Oxides）**：通过Al/Zn共掺杂扩大层间距（如Na_0.67Mn_0.85Al_0.05Zn_0.1O₂），抑制Jahn-Teller效应引起的晶格畸变，实现5C（0.88 A g^?1）下94.87 mAh g^?1容量保持率。表面ZrO₂涂层可减少电极应力，提升结构稳定性。
- **普鲁士蓝类似物（PBAs）**：通过调控过渡金属比例（如FeVO-PBA）和晶格缺陷（如EDTA-1MVC PBA），平衡离子扩散速率与结构稳定性。例如，纳米立方体模板法合成的SP-PBA在0.5 A g^?1下实现80 mAh g<sup>?1容量， cycling稳定性达3000次。
- **多原子阴离子化合物（Polyanion Compounds）**：通过引入V、Fe等过渡金属实现三维离子通道（如Na₃₂(PO₄)₃），结合碳纳米管导电网络，10C（1.7 A g?1）下仍保持81.7 mAh g?1容量，循环寿命超10万次。

#### 2. 负极材料的协同创新
- **硬碳（HC）**：通过ZnO预烧蚀实现纳米级孔结构调控（如HCM-1300-ZBE），1.8 A g?1下容量保持率83.9%，比表面积提升至300 m2 g?1。
- **合金型负极（Sn/Bi）**：采用纳米级金属颗粒（如Sb@C纳米壳）和梯度碳包覆技术，实现20C（2.4 A g?1）下152.8 mAh g?1容量，循环寿命达1.5万次。
- **插层型过渡金属氧化物（TiO₂基）**：通过Mg/S substitution（如Mg-doped Na₂3O₇）扩大晶格间距，抑制体积膨胀，10C下容量保持率91.1%。

### 二、界面稳定化的多维策略
#### 1. 电解质-电极界面工程
- **添加剂协同效应**：5 vol% FEC与2-FP组合使用，形成均匀NaF/NaPO₂F₂界面层，抑制电解液分解。例如，Na₃V₂(PO₄)₃||Na电池在20C下容量保持率93.84%。
- **溶剂体系革新**：醚类溶剂（如G2）通过弱极性环境降低Na+溶剂化能，形成致密有机-无机复合界面层，抑制界面副反应。实验表明，该体系使PBA||HC电池在5C下容量保持率62.2%。

#### 2. 人工界面层构建
- **聚合物涂层技术**：NaPAA（聚丙烯酸钠）涂层通过预反应生成NaPO₂F₂保护层，使NVP||Na电池在5C下容量保持率81.5%。
- **碳基复合界面**：氮掺杂石墨烯（g-C₃N₄）包覆硬碳（HC@C），形成致密SEI层，10C（1.28 A g?1）下容量达102 mAh g?1，循环稳定性提升30%。

### 三、系统集成与热管理技术
#### 1. 三维电极架构
- **3D打印技术**：采用熔融沉积成型（FDM）构建多孔MoS₂@Bi/NC电极，孔隙率提升至45%，Na+扩散路径缩短60%，1C容量达164.6 mAh g?1。
- **分级孔隙设计**：通过模板法（如蛋白质立方体）制备 hierarchical hollow结构，实现纳米级（<100 nm）均匀孔分布，离子传输速率提升2个数量级。

#### 2. 热管理系统（BTMS）
- **液冷-固态复合冷却**：铝箔散热层+微通道液冷板系统，可将电池包温度梯度从15°C/10C降至3°C/10C，使容量衰减率降低40%。
- **热-电耦合调控**：利用热电材料（如PbTe）主动散热，结合相变材料（PCM）被动储热，实现温度波动范围±2°C，适用于快充场景。

#### 3. BMS智能化升级
- **多物理场监测**：集成电压、温度、应变、气体（CO/CO₂）等多参数传感器，通过LSTM神经网络实现热失控预警准确率>95%。
- **数字孪生预判**：建立电池热-电-力耦合模型，预测容量衰减速率误差<5%，指导主动均衡策略。

### 四、未来技术路线与挑战
1. **材料层面**：开发超快离子通道材料（如Na₃Fe₂Al₁PO₁₂纳米纤维），目标实现1 μs级离子迁移率。
2. **界面层面**：构建仿生级动态界面（如自修复SEI），通过机器学习优化添加剂配比，使界面阻抗降低至<10 Ω cm?1。
3. **系统层面**：开发分布式液冷+气冷混合系统，散热效率提升至85%以上，适配2000 kg级储能电站。

### 五、产业化路径展望
- **标准化测试体系**：建立涵盖10C-100C全速率段的CTE（容量保持率）与CRR（容量衰减率）评价标准。
- **绿色制造技术**：采用离子液体电解质（如EMC/FEC/TTE）替代传统酯类溶剂，减少挥发性有机物（VOCs）排放30%。
- **成本控制**：通过机械合金化（MA）降低过渡金属掺杂成本（如Mg掺杂成本降低至$5/kg）。

本文系统梳理了钠离子电池快充技术从材料设计到系统集成的研究进展，揭示了多尺度协同优化的必要性。未来需突破离子通道原子级调控、界面动态平衡及热-电-力耦合建模等科学瓶颈，推动钠离子电池在1小时内完成80%容量充放电的工程实践。</sup>