高比能二次电池正极材料的X射线谱学研究进展之二次电池概述

作者：陈淑媛1，程晨1，夏啸1，鞠焕鑫2,*，张亮1,3,*

单位：1苏州大学功能纳米与软物质研究院，江苏 苏州 215123；2 PHI表面分析实验室，爱发科费恩斯（南京）仪器有限公司，江苏 南京 21111；3江苏省先进负碳技术重点实验室，江苏 苏州 215123）

摘  要：二次电池具有能量密度高、能量转化效率高、循环寿命长等特点，是高效的电能/化学能转化装置，为储存并利用清洁能源提供了有效解决方案。然而，随着社会对能源需求的日益增长，二次电池进一步深度研究与开发迫在眉睫，需要不断突破材料已有的容量设计瓶颈，从而对二次电池电极材料从宏观尺度到微观尺度下的结构表征提出了更高的要求。X射线技术提供了一系列对电极材料晶格、电子、物相结构敏感且无损的先进表征技术，能够系统揭示电极材料晶体结构与电子结构演变、电荷补偿机制、离子与电子输运与表界面化学过程等信息，为二次电池的研究、设计与应用提供了全方位视角。基于此，本综述对近几年研究进展进行归纳总结，重点阐述基于X射线的表征技术(主要包括X射线光电子能谱、X射线吸收谱和共振非弹性X射线散射等)的基本原理、在二次电池的最新进展和科学挑战，详细解释不同X射线表征手段的技术特点、适用条件和独特优势，并对X射线谱学未来在二次电池领域的应用提出展望。

关键词：二次电池；正极材料；X射线谱学；同步辐射

随着社会工业体系的迅速发展，社会对能源的需求日益增长。传统化石燃料(例如煤、石油和天然气等)被大量消耗，导致其资源储量迅速枯竭，并进一步加剧了环境污染。因此，利用太阳能、风能和潮汐能等可再生、更清洁的绿色能源已经迫在眉睫。然而，可再生能源在时间、地点上的间歇性问题限制了其商业化发展和应用。因此，可再生能源的高效存储与利用不可或缺。作为可再生能源体系的配套技术，储能技术可以解决可再生能源的间歇性问题，对可再生能源的高效和持续利用至关重要。在各种储能技术中，二次电池因其成本低廉、灵活便捷、能量转化效率高等特点，在社会储能体系中占据了重要地位，是极具前景的储能技术。因此，开发高能量密度、长循环寿命、低成本的二次电池已经成为全球普遍关心的焦点问题。

在不同的二次电池体系中，锂离子电池(LIBs)由于具有较高的循环寿命、能量密度和工作电压，广泛应用于储能领域。与其他二次电池(如铅酸蓄电池、镍氢电池等)相比，LIBs具有高比容量、高电压、绿色环保等特点，在储能体系中占据重要地位。然而，锂资源储量低且分布不均、成本高昂等缺点限制了其在储能领域的广泛应用。

与锂离子电池相比，钠离子电池(SIBs)因金属钠资源丰富、分布广泛且成本低廉，受到了研究者的广泛关注，有望应用于大规模储能领域。钠和锂在元素周期表中同属第一主族碱金属，在不同的化学环境中具有相似的化学性质。并且，钠离子电池的工作原理与锂离子电池一致，在电池充放电过程中都伴随着离子的嵌入与脱出。这些相似的性质使得研究者可以借鉴锂离子电池中的成功经验。并且，钠不会与铝形成合金，因此可以使用廉价的铝箔作为集流体，从而进一步降低其商业化成本。然而，Na⁺单位质量(23 g/mol)大于Li+单位质量(6.9 g/mol)，且Na⁺的标准氧化还原电位(2.71 V)比Li⁺的标准氧化还原电位更低(3.02 V)，导致了相较于锂离子电池更低的能量密度。综上所述，设计结构稳定、能量密度高、循环寿命长的LIBs/SIBs是目前二次电池研究和发展的重点和难点。

正极材料是限制LIBs/SIBs能量密度和成本的主要因素，因此，正极材料的充放电机制逐渐成为研究重点。然而，由于缺少有效的表征方法，正极材料氧化还原过程中的电子结构演变、离子及电子运输以及界面反应等关键信息难以明晰，而这些相关信息可以为深入理解钠离子电池电极材料的电荷补偿机制和容量衰减机制、优化电极材料组成和结构、提升电池性能提供重要的科学依据。随着实验室以及同步辐射X射线技术的不断发展，在二次电池领域利用X射线光电子能谱(XPS)、X射线吸收谱(XAS)和共振非弹性X射线散射(RIXS)等技术开展相关非原位/原位表征成为了可能。上述X射线技术能准确捕获材料本征电子和空间结构的变化信息并获取材料性能与性质的关联，为高容量、长寿命二次电池材料的研究、设计与制备提供了丰富的理论依据。本综述对XPS、XAS和RIXS技术的特点、优势及适用条件进行详细阐述，系统总结了近年来高比能二次电池正极材料的X射线谱学研究进展，最后展望了X射线谱学在二次电池领域的应用前景。

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