鈉離子電池正、負極材料發展淺析

陳盛

【摘 要】用鈉代替鋰緩解鋰的資源短缺問題已經成為二次電池領域中一個全新的研究熱點。本文主要針對CNABS和DWPI中涉及的相關專利進行分析，對該技術的發展趨勢、主要申請人和布局區域進行了相關分析，并針對包覆的物質種類和包覆的制備工藝進行了分析，并從中得到一定的規律，為以后審查工作奠定良好的相關技術知識，為相關技術的申請人提供數據支持。

【關鍵詞】鈉離子電池；專利分析；正極材料；負極材料

鈉離子電池的組成和鋰離子電池的組成非常類似，都是依靠離子在正負極之間的移動來工作，正極、負極材料物理化學性質在一定程度上決定著鈉離子電池的性能優越與否[1-3]。本文統計了近600項相關專利申請，系統地分析了鈉離子電池負極材料和正極材料發展現狀。數據來源于數據庫CNABS、DWPI。

一、專利申請量變化

鈉離子電池自進入2011年之后至2018年的專利申請量，無論是全球總申請量還是中國申請量都呈現出爆發式增長，從趨勢上可看出外國申請也同樣處于爆發式增長。反映出鋰離子電池遇到了一定的瓶頸，人們渴望研發出可替代鋰離子電池的備選電池，如鈉離子電池。按各國專利申請量看，專利申請主要集中在中國47%、日本35%、美國9%、歐洲4%、韓國4%等少數幾個國家或區域，而其他國家的研究較少僅為1%。從數據上可以看出，中國和日本的專利申請搖搖領先于其他國家，其總和為82%。中國在這一領域緊跟國際步伐，更有希望獲得核心技術，從而彎道超車。

二、鈉離子電池負極材料

下圖2為負極活性物質的技術分支分布圖，具體闡述了當前圍繞鈉離子電池負極活性材料中研究重點，排在前兩位的分別是碳基材料51.28%和Ti基材料29.16%，然后依次為金屬氧化物24.13%、金屬硫化物22.12%、金屬及合金17.1%、復合材料13.7%、金屬硒化物8.5%，有機材料8.5%以及尖晶石2.1%，另有其他研究方向占6.3%。

由于Na離子比Li離子的粒徑較大，因此鈉離子在石墨層中的脫嵌能力迅速下降，但是活性碳或者多孔碳等具有一定的脫嵌鈉離子的能力，因此碳基材料51.28%還是鈉離子電池負極材料中的研究重點；其次，Ti基材料29.16%也是鈉離子電池負極材料中性能優異、且具有較高循環性能的材料，因此也引起了研究者的廣泛興趣。此外，MxO金屬氧化物，MxS，金屬及合金等也具有不俗的鈉離子脫嵌性能?？偟膩碚f，因為純的石墨不能作為鈉離子電池的負極，因此，不同于鋰離子電池，其負極材料的研究充滿了挑戰，也是鈉離子電池邁向商業化的障礙之一。

三、鈉離子電池正極材料

正極活性物質是鈉離子電池的另一個研究難點，從圖3a中可以看出，主要的研究方向為聚陰離子和AxMO2。對于AxMO2主要包含有AFeO2（例如NaxFeO2）、AMnO2（例如NaxMnO2等）、其他AxMO2材料，以及以上材料的復合結構；而聚陰離子則主要包含磷酸鹽和氟磷酸鹽，具體而言，包含NFeP（磷酸鐵鈉）、NVP（磷酸釩鈉）、NVPF（氟磷酸釩鈉）、NMP其他（其他磷酸鹽）、其他聚陰離子材料（例如具有硫酸根、硅酸根等的聚陰離子鹽），以及NASICON型正極材料。從圖8b中可以看出，AxMO2系列的正極材料中，單獨的NaxFeO2或者NaxMnO2等已經趨于成熟，因此，大量改進研究集中在AxMO2系列材料的混合以及復合上，以期望獲得更佳的電池性能。相對而言，聚陰離子材料則其研究相對較廣，每種類型的聚陰離子材料均有專利申請。

本文通過大量的專利為研究樣本，已經大致掌握鈉離子電池的研究歷程，以及當前的研究重點和研究方向。當前，在鈉離子電池領域，大量的研究集中在正極材料和負極材料，本文系統的分析了，鈉離子電池正、負極材料的發展現狀和研究的熱點，給鈉離子電池的進一步深入研究提供參考和借鑒。

【參考文獻】

[1] Chen. H. S， Cong. T. N， Yang. W， Progress in electrical energy storage system： A critical review， Prog. Nat. Sci.， 2009， 19， 291-312.

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