意大利乌迪内大学等：钠离子电池碳基电极材料的设计策略、电化学性能与未来展望

研究背景

随着全球清洁能源转型加速，大规模储能系统成为迫切需求。锂离子电池（LIBs）虽长期主导市场，但面临锂资源稀缺、成本高、安全性不足等问题。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉、环境友好且电化学机制与锂离子电池相似，被视为最具潜力的替代方案之一。然而，Na⁺半径较大（1.02 Å，Li⁺为0.76 Å），导致其在电极材料中的嵌入/脱出动力学缓慢，易引起结构劣化和循环稳定性下降，严重制约了SIBs的实际应用。在众多电极材料中，碳基材料（石墨、石墨烯、碳纳米管及其复合材料）凭借高导电性、化学稳定性、大比表面积和结构可调性，成为SIBs电极研究的热点。

来自乌迪内大学等单位的研究人员综述了碳基电极材料在SIBs中的最新进展，系统分析了材料设计策略对电化学性能的影响，并展望了未来发展方向。

研究亮点

• 系统梳理三类碳基电极材料：聚焦石墨、石墨烯、碳纳米管（CNTs）及其复合材料，对比其结构特征、储钠机制与电化学性能。
• 材料设计策略与性能关联：总结层间距调控、杂原子掺杂、纳米结构构筑、复合材料协同等策略对容量、倍率性能和循环寿命的影响。
• 详实的数据对比：汇总了不同碳基电极的可逆容量、电流密度、循环次数等关键指标，为材料筛选提供参考。
• 经济与环境可行性分析：从成本、环境影响、可持续性和市场前景等维度对比SIBs与LIBs，突出SIBs的优势。
• 展望未来发展方向：提出三维碳结构、新型合成方法、原位表征、多组分杂化材料等提升碳基电极性能的路径。

图文解析

图1展示了SIBs的“摇椅式”机制：充电时Na⁺从正极脱出、经电解液嵌入负极，放电时逆转。机制与LIBs相同，但Na⁺半径远大于Li⁺，导致许多锂电材料在钠电中嵌入困难、体积膨胀、结构劣化。表1对比显示：钠地壳丰度为2.3%，是锂（20 ppm）的千倍以上，成本优势显著；但SIBs的能量密度（100～150 W·h /kg）整体低于LIBs。碳基材料因此成为破解“资源丰富但离子存储困难”矛盾的关键突破口。

石墨理论容量为372 mA·h/g，但层间距仅为0.34 nm，Na⁺难以嵌入，低阶钠-石墨层间化合物难以形成。改性路径有三种：一是扩大层间距，EGrO电极在100 mA/g下容量为268 mA·h/g；二是杂原子掺杂，N/S共掺杂石墨纳米片在10 A/g下循环6000次后容量为94 mA·h/g；三是与金属硫化物复合，CoS₂/NGC在0.2 A/g下的容量达660 mA·h/g，循环1000次后容量保持率为85%。但石墨基材料仍面临循环寿命不足、高电流密度下性能衰减等固有缺陷。

石墨烯理论储钠容量为558 mA·h/g，但纯石墨烯因片层团聚导致活性位点大量损失。采用CVD法制备的单层石墨烯在500次循环后面积比容量仅为1 μA·h/cm²。复合化是提升其容量的主要出路：PEG-SnS₂/rGO通过PEG插层扩大层间距，在0.1A/g下容量为960 mA·h/g，电容贡献率为90.68%；In₂Se_₃/rGO在1.0 A/g下循环1000次后容量保持在378 mA·h/g。石墨烯基材料主要短板在于活性位点不足、循环寿命有限和制备成本高昂。

CNTs具有极高长径比和导电性，管径小于6 nm时表现出类量子线高导电特性。纯CNTs容量有限，复合化是提高容量的主要策略。V-T-rGO/CNTs在50 mA/g下容量达285.6 mA·h/g；Fe₇Se₈/CNT/C在5000 mA/g下容量保持在524 mA·h/g，循环1000次后达容量为610 mA·h/g；NiS₂@NCNTSHMs在5.0 A/g下的容量保持在333.3 mA·h/g。CNTs基材料仍面临成本较高、缺陷控制困难、管径与手性难以精确调控等问题。

表2汇总了三类材料的性能：石墨基材料容量为100～400 mA·h/g，循环寿命可达数千次，适合成本敏感型应用；石墨烯基材料容量跨度大（58.9～657 mA·h/g），高倍率性能突出但成本高、规模化难；CNTs基材料容量和倍率性能较为均衡（100～859.9 mA·h/g），与金属硒化物复合后高电流密度下仍保持较高容量。

成本方面，SIBs制造成本比LIBs低约2.9%。环境方面，当前SIBs碳足迹略高于LIBs（产业化不成熟），但人体致癌与毒性潜势明显低于LIBs。可持续性方面，全球锂年产量仅43 kt；钠年产量280 Mt，分布广泛。市场方面，SIBs市场2023年估值5亿美元，预计2030年增至12亿美元，复合年增长率21.5%。

研究小结

本文综述了石墨、石墨烯、CNTs及其复合材料在SIBs中的研究进展。石墨导电性好但层间距有限，需通过膨胀、掺杂或复合提升储钠能力；石墨烯理论容量高，但易团聚，rGO与金属硫化物/硒化物复合可显著改善性能；CNTs具有优异导电性和结构稳定性，与rGO、金属硒化物、磷等复合后表现出高容量和长循环寿命。碳基材料的性能提升依赖于层间距调控、杂原子掺杂、纳米结构构筑和多组分协同。尽管CNTs在扩散路径和结构稳定性方面表现突出，但仍面临成本、团聚、规模化合成和低首次库仑效率等挑战。未来需发展新型合成方法、三维结构设计、原位表征技术和多组分杂化策略，以推动碳基电极在SIBs中的商业化应用。该综述为钠离子电池碳基电极的材料设计与性能优化提供了系统参考和方向指引。

文章信息

Talha Munir, Rizwan Asghar, Mehboob Ur Rahman, et al. Carbon-Based Electrodes for Sodium-Ion Batteries: Material Design, Electrochemical Performance, and Challenges [J]. Carbon and Hydrogen, doi.org/10.1002/cbh2.70084