『钠电』郑州大学 AM:弥合实验室扣式电池与实用化软包电池的性能鸿沟
钠离子电池（SIBs）凭借钠资源储量丰富、与锂离子电池（LIBs）生产工艺兼容性高、耐低温性能与倍率性能优异等优势，成为电网级大规模储能的核心候选技术，其中实用化软包电池的开发是实现产业化落地的关键。然而，实验室研究的扣式电池与实际应用的软包电池在性能表现上存在巨大鸿沟，软包电池面临着电化学反应不均、产热产气、电解液消耗过快及安全风险等扣式电池中未被重视的问题。传统研究多聚焦于扣式电池的材料性能优化，忽略了软包电池在高电极面密度、贫电解液、低 N/P 比等严苛工况下的材料本征缺陷与界面不稳定性，导致材料在扣式电池中表现出的高容量、长循环性能难以在软包电池中复现。如何厘清扣式电池与软包电池的性能关联，解决软包电池在材料、结构及工程化层面的核心瓶颈，成为 SIBs 从实验室走向市场的关键障碍。现有研究未能系统揭示扣式电池与软包电池的性能差异根源，也缺乏针对软包电池特性的协同优化策略。本研究通过系统分析钠离子扣式电池与软包电池在能量密度、循环寿命等方面的差异及成因，深入剖析了软包电池在正极、负极、电解液等关键组件中存在的材料本征缺陷与界面稳定性问题，并总结了相关优化研究进展。研究提出，需通过正极材料改性、负极性能优化、电解液体系调控及组装测试标准化，实现从材料层面到电池工程层面的协同设计。基于该研究框架，软包电池的能量密度已提升至 170 Wh kg⁻¹，最长循环寿命达 1000 次，为弥合实验室研究与工业应用之间的鸿沟提供了全面可行的解决方案，推动 SIBs 从实验室样品向工业化产品迈进。①研究视角创新：首次系统梳理钠离子扣式电池与软包电池的性能差异及根源，建立了从材料特性、电极结构到电池工程参数的多尺度耦合框架，明确了软包电池的核心失效机制，突破了传统研究仅聚焦单一组件优化的局限；②优化策略体系化：提出涵盖正极、负极、电解液的全组件协同优化方案，针对软包电池的严苛工况，开发了元素掺杂、结构调控、钠补偿、电解液盐 / 溶剂 / 添加剂协同设计等一系列适配性技术，实现材料性能与电池工程化需求的匹配；③工程化导向明确：强调组装与测试标准化的重要性，提出扣式电池测试参数的优化建议，建立实验室研究与工业生产之间的参数映射与数据校准方法，为 SIBs 的产业化放大提供了关键的工程化指导。图 1. (A) 锂与钠的理化性质对比（离子半径、地壳丰度、斯托克斯半径、摩尔电导率、脱溶剂化能）；(B) 锂离子电池与钠离子电池的电池级成本分析；(C) 2015-2024 年 “钠离子电池” 与 “钠离子软包电池” 相关发表论文数量变化；(D) 实用化钠离子软包电池关键发展时间线。图 2：钠离子扣式电池与软包电池的结构及组件质量分布对比图 2. (A)(B) 钠离子扣式电池结构示意图；(D)(E) 钠离子软包电池结构示意图；(C)(F) 两种电池的组件质量分布占比。扣式电池参数：正极质量 5 mg，钠片质量 35.5 mg，电解液体积 200 μL，隔膜质量 26.6 mg，弹片与垫片质量 980.3 mg，正负极壳质量 1744.8 mg；软包电池参数：正极质量 32.05 g，负极质量 28.89 g，电解液质量 12.8 g，隔膜质量 1.85 g，封装与极耳质量 3.13 g，集流体质量 5.82 g。图 3. (A) 正极比容量、(B) 正极面密度、(C) N/P 比、(D) E/C 比、(E) 惰性材料占比、(F) 电池面积对钠离子软包电池质量能量密度的影响；(G) 正极面密度、(H) 正极孔隙率、(I) 正极材料密度对钠离子软包电池体积能量密度的影响。图 4. (A) 钠离子扣式电池组装流程（浆料混合、涂覆、冲切、组装与注液）；(B) 钠离子软包电池组装流程（浆料混合、涂覆、辊压、冲切、堆叠、焊接、封装、注液、化成、除气、老化）。图 5. (A) 不同温度下Na₃V₂(PO₄)₂F₃// 硬碳电池化成后的阻抗；(B) 不同电流密度下硬碳负极 SEI 形成示意图；(C) 不同截止电压下电池的首次效率、产气体积与电荷转移电阻对比；(D) 有无额外压力下硬碳负极的电解液分解与 SEI 形成机制。图 6：扣式电池与软包电池的电子传输路径及工作条件对比图 6. (A) 电极面密度与尺寸对两种电池电阻的影响；(B) 扣式电池（毫安级电流、高压）与软包电池（安级电流、低压）的工作条件示意图。图 7：钠离子扣式电池与软包电池的关键参数及性能对比图 7. (A) 面密度与 N/P 比对比；(B) 活性物质占比与隔膜厚度对比；(C) 容量与 E/C 比对比；(D) 质量能量密度与循环寿命对比。图 8：钠离子软包电池的主要材料挑战与多尺度耦合框架图 8. (A) 钠离子软包电池的主要材料挑战（正极开裂、产气、结构降解；负极 SEI 不稳定、低温钠枝晶、倍率性能差；电解液界面反应、分布不均）；(B) 材料 - 电极 - 电池多尺度参数与失效模式的耦合框架。图 9. (A) NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂// 硬碳全电池的加速量热稳定性测试；(B) 充电态NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂在不同温度下的热分解过程示意图；(C) B 掺杂前后NaLi₁/₉Ni₂/₉Fe₂/₉Mn₄/₉O₂在首次钠嵌入 / 脱嵌过程中的产气变化；(D) Ca 掺杂 Na₀.₂₅Ca₀.₀₄[Ni₀.₅Mn₀.₅] O₂的晶体结构体积变化；(E) Ti 与 K 共掺杂抑制层间阳离子迁移的示意图；(F) Na₂O@Ru@G对 Na [Li₀.₀₅Mn₀.₅₀Ni₀.₃₀Cu₀.₁₀Mg₀.₀₅] O₂相转变的缓解作用；(G) 乙酸修饰 P2-Na₀.₈₅Li₀.₁₂Ni₀.₂₂Mn₀.₆₆O₂的钠补偿机制示意图。图 10. (A) Na₃V₂(PO₄)₃/C 微球的合成流程示意图；(B) 不同电流下钠离子软包电池的循环稳定性；(C) Na₂FePO₄F@C@MCNTs的合成工艺；(D) Na₂FePO₄F@C@MCNTs的前 10 次充放电曲线；(E) Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇的晶体结构；(F) Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇与Na₄Fe₂.₉₁(PO₄)₂P₂O₇样品的钠离子迁移能垒；(G) 不同电流下钠离子软包电池的循环稳定性。图 11. (A) 菱形结构 Na₂₋ₓFeFe (CN)₆的晶体结构；(B) Na₂₋ₓFeFe (CN)₆的规模化制备及软包电池点亮 LED 的实物图；(C) Na₂₋ₓFeFe (CN)₆// 硬碳软包电池的循环稳定性与充放电曲线；(D) 循环后软包电池中不同电极的含水量；(E) 热处理前后 Na₂₋ₓFeFe (CN)₆的倍率性能；(F) 热处理后 Na₂₋ₓFeFe (CN)₆// 硬碳软包电池的循环稳定性与充放电曲线。图 12. (A) 不同碳化温度下热解无烟煤负极的充放电曲线；(B) Na₀.₉[Cu₀.₂₂Fe₀.₃₀Mn₀.₄₈] O₂// 热解无烟煤1200 软包电池的循环稳定性；(C) 软包电池的安全测试（穿刺、短路、过充）；(D) 不同温度下硬碳负极的充放电曲线；(E) Na₃V₂(PO₄)₃// 硬碳 1500 软包电池的长循环稳定性；(F) 硬碳 900 的钠离子存储机制示意图；(G) 石墨纳米晶协同改善硬碳负极的示意图。图 13. (A) 纳米 Sn 电极、(B) 微米 Sn 电极的充放电曲线；(C) Sb/C 复合材料的 TEM 图像；(D) Pb 电极的放电曲线；(E) 循环前、(F) 循环后 Pb 电极的 SEM 图像；(G) Sn - 硬碳复合材料的充放电曲线；(H) 体相 Bi 与 Bi - 硬碳复合材料在钠化状态下的化学力学模拟。图 14. (A) 不同盐电解液的 FTIR 与拉曼光谱；(B) Na⁺- 阴离子 / 溶剂复合物的前线分子轨道能级；(C) 双盐与其他电解液在Na₃V₂(PO₄)₃//p-Al@C扣式电池中的循环稳定性（-40℃）；(D) 无负极软包电池在 - 40℃下的充放电曲线；(E) 无负极软包电池在 - 40℃下的循环稳定性。图 15. (A) 不同类型清除剂的解离能与终止效率对比；(B) 不同清除剂电解液的自熄时间；(C) 有无 NaBr 的 SEI 能垒示意图；(D) Na₃V₂(PO₄)₃//Na 软包电池在 BFT 电解液中的充放电曲线；(E) MeTHF电解液中离子传导通道与 SEI 结构示意图；(F) 1NaFSI-6TEP-3.5PhCF₃电解液中钠离子溶剂化结构示意图；(G) 不同温度下 NaCu₁/₉Ni₂/₉Fe₁/₃Mn₁/₃O₂// 硬碳软包电池的循环稳定性；(H) 阻燃溶剂 TFEP 的作用机制模型；(I) 不同电解液下Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇// 硬碳软包电池的循环稳定性。图 16. (A) FEC、PST、DTD 添加剂的分子结构；(B) 三种添加剂对 NFM// 硬碳软包电池循环稳定性的影响；(C) PST 与 DTD 添加剂在NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂// 硬碳全电池中的作用示意图；(D) DTD 与 TPP 添加剂在硬碳负极表面形成的 SEI 组件示意图；(E) FPPN 电解液中稳定 CEI 与 SEI 的形成示意图；(F) 加入 BTFE 与 VC 后电解液溶剂化结构的变化示意图；(G) Na₃V₂(PO₄)₃// 硬碳软包电池的循环稳定性；(H) 分子筛电解液软包电池的原位超声扫描图；(I) 有无分子筛电解液的软包电池长循环稳定性。图 17. (A) 扣式电池活性物质占比推荐值；(B) 扣式电池面密度推荐值；(C) 扣式电池 N/P 比推荐值；(D) 扣式电池 E/C 比推荐值；(E) 扣式电池隔膜厚度推荐值；(F) 扣式电池电流密度推荐值；(G) 扣式电池层状氧化物正极孔隙率推荐值；(H) 扣式电池硬碳负极孔隙率推荐值；(I) 扣式电池工作温度推荐值。本研究系统分析了钠离子扣式电池与软包电池的性能差异及根源，建立了材料 - 电极 - 电池多尺度耦合的失效机制框架，提出了涵盖正极、负极、电解液全组件的协同优化策略及组装测试标准化方案，为弥合实验室研究与工业应用的鸿沟提供了全面指导。通过元素掺杂、结构调控、钠补偿等正极改性技术，软碳 / 硬碳优化、合金复合等负极提升方法，以及盐 / 溶剂 / 添加剂协同设计的电解液调控策略，钠离子软包电池的能量密度已提升至 170 Wh kg⁻¹，最长循环寿命达 1000 次，容量最高 5.5 Ah。研究明确，软包电池的性能突破需打破单一组件优化的局限，实现材料特性与电池工程参数的匹配；同时，扣式电池测试参数的标准化与数据校准是连接实验室与工业生产的关键。未来研究应从孤立的材料优化转向多尺度集成设计，重点解决电极设计参数不匹配、电流密度与压力分布不均、界面稳定性差、测试标准缺失等核心挑战，推动 SIBs 从性能演示向工程化应用转型。本研究为高性能钠离子软包电池的研发与产业化提供了重要的理论支撑与技术参考，加速了 SIBs 在大规模储能领域的实用化进程。 Bridge the Gaps Between Lab-Level Sodium-Ion Coin Cells and Practical Pouch Cells. Advanced Materials, 2026; https://doi.org/10.1002/adma.202521756本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
