钠离子电池,从实验室到产业化!郑州大学牛朝江,最新AM综述论文!

钠离子电池凭借钠资源丰富、成本低廉以及与锂离子电池相似的工作原理，成为大规模储能领域最具潜力的候选技术之一。近年来，实验室规模的钠离子纽扣电池在比容量、倍率性能和循环寿命方面取得了显著进展，部分性能甚至媲美锂电。然而，当这些材料被放大到实际应用的软包电池时，其电化学性能往往大幅衰减，远未达到产业化预期。这种从纽扣到软包的性能鸿沟已成为制约钠离子电池商业化的核心瓶颈。

2026年3月9日，郑州大学牛朝江教授在《Advanced Materials》发表题为“Bridge the Gaps Between Lab‑Level Sodium‑Ion Coin Cells and Practical Pouch Cells”的综述文章，系统剖析了钠离子纽扣电池与软包电池在多尺度上的本质差异，总结了近年来钠离子软包电池在正极、负极、电解质方面的研究进展，并为实验室研究如何更好地服务于产业化提出了标准化建议。

文章指出，纽扣电池与软包电池在结构上存在巨大差异。典型纽扣电池中，正极材料质量占比仅为0.16%，而过量的钠片、电解液及厚重的壳体掩盖了材料的真实失效机制。相比之下，软包电池正极质量占比可达37.9%，且必须在高面载量（>15 mg cm⁻²）、低N/P比（<1.3）、贫电解液（E/C <3 g Ah⁻¹）等苛刻条件下工作。这些参数直接决定了电池的能量密度：正极比容量从140 mAh g⁻¹提升至210 mAh g⁻¹时，软包电池质量能量密度可从150 Wh kg⁻¹增至190 Wh kg⁻¹；面载量从10 mg cm⁻²增至20 mg cm⁻²，能量密度提高约15%；N/P比从1.4降至1.0，能量密度增加13%；E/C比从4 g Ah⁻¹降至2 g Ah⁻¹，能量密度提升10%以上。此外，电极孔隙率、活性材料密度、电池尺寸等因素也显著影响体积能量密度。

在组装工艺方面，纽扣电池的手工操作与软包电池的卷对卷涂布、辊压、叠片、焊接、注液、化成等连续自动化流程存在天壤之别。浆料流变性、极片厚度一致性、水分控制、极耳焊接质量等工业级参数在纽扣电池研究中几乎被忽略，却对软包电池的良率和寿命至关重要。测试条件同样不可忽视：软包电池的总电流高达安培级别，是纽扣电池的数千倍，电流分布不均极易引发局部过充和枝晶生长；软包电池所受外部压力仅为千帕级，远低于纽扣电池的兆帕级，导致界面接触恶化、SEI膜破裂等问题。

针对上述挑战，文章系统回顾了近年来钠离子软包电池在正极、负极和电解质方面的优化策略。在正极方面，层状氧化物通过元素掺杂（B、Ca、K、Ti）和空位工程显著抑制了高电压下的不可逆相变和晶格释氧，如K/Ti共掺杂使0.5 Ah软包电池在200 mA g⁻¹下循环2000次容量保持率达78%；聚阴离子化合物通过碳包覆和缺陷设计提升了电子电导率，Na₄Fe₂.₉₁(PO₄)₂P₂O₇软包电池在1000次循环后容量保持87.4%；普鲁士蓝类似物通过热处理去除结晶水，有效抑制了胀气问题，5 Ah软包电池在1C下循环1000次容量保持78%。负极方面，硬碳通过调控热解温度、孔结构和预钠化处理，初始库仑效率可提升至86%以上，软包电池循环寿命突破5000次；合金材料（Sn、Sb、Bi）虽具有高容量，但体积膨胀问题仍需通过纳米化和碳复合缓解。电解质方面，双盐体系（NaOTF+NaBF₄）、阻燃溶剂（BBE、TEP）和功能添加剂（FEC、DTD）的引入显著改善了低温性能、安全性和界面稳定性，无负极软包电池在-40℃下仍可循环50次且容量保持93.8%。

为弥合实验室与产业化之间的鸿沟，文章最后提出了纽扣电池测试的标准化建议：正极活性物质占比应≥95%，面载量≥15 mg cm⁻²，N/P比≤1.3，E/C比≤3 g Ah⁻¹，隔膜厚度≤30 μm，电流密度≥3 mA cm⁻²，层状氧化物正极孔隙率≤35%，硬碳负极孔隙率≤40%，测试温度范围扩展至-20℃至60℃。同时，数据报告中应包含初始库仑效率、能量效率和电压滞后等工程相关指标，以便更准确地评估材料的实用潜力。

1、从结构、工艺、测试条件到失效机制，全面揭示了实验室研究与产业化应用之间的多尺度鸿沟，为性能衰减归因提供了清晰框架。

2、归纳了正极（掺杂/空位/碳包覆）、负极（孔结构调控/预钠化/合金复合）、电解质（双盐/阻燃溶剂/添加剂）在软包电池中的最新进展，展示了高能量密度和长寿命的实现路径。

3、明确了纽扣电池应遵循的面载量、N/P比、E/C比等关键参数阈值，推动实验室研究向工业级条件靠拢，为材料筛选提供可靠依据。

图1 钠离子纽扣电池与软包电池的结构示意图及质量分布对比

图2 钠离子纽扣电池与软包电池的组装工艺流程对比

图3 高能量密度钠离子软包电池的主要设计原则

图4 扣式电池和软包电池的组装工艺

图5 影响钠离子软包电池化成工艺的关键因素

本研究系统揭示了钠离子电池从实验室纽扣电池到实用软包电池在多尺度上的巨大差距，包括结构设计、组装工艺、测试条件和失效机制。通过回顾近年来正极（层状氧化物、聚阴离子、普鲁士蓝）、负极（硬碳、合金）和电解质（盐、溶剂、添加剂）在软包电池中的优化进展，证明了材料创新与工程参数协同的重要性。为实现产业化，必须推动纽扣电池测试标准化，采用高面载量、低N/P比、贫电解液等工业级条件，并关注初始库仑效率、能量效率等工程指标。未来应发展多尺度模拟与先进表征技术，深化对电极结构、界面化学和失效机制的理解，从而加速高性能、低成本、高安全钠离子电池的商业化进程。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202521756

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