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鋰離子電池的兩種最重要的金屬元素（鋰和鈷）急劇增加的需求/成本和有限的儲量引起了對未來發展的擔憂。配備先進無鈷正極的鈉離子電池（SIBs）在解決“鋰恐慌”和“鈷恐慌”方面顯示出巨大潛力，然而目前幾乎沒有專門的評論文章關注SIBs無鈷正極的進展。

圖1. 幾種過渡金屬元素的價格和豐度以及SIBs無鈷正極的研究熱度

在此，南京大學周豪慎教授、郭少華教授等人全面回顧了用于先進SIB的高性能無鈷正極材料的最新進展，討論了決定正極結構穩定性的關鍵因素，并強調了各種提高無鈷正極材料結構/電化學穩定性的有效策略。

首先介紹了鈷在正極材料中的作用（如嚴苛的合成條件、復雜相變、電化學性能和空氣穩定性方面等），然后概述了典型正極結構（層狀氧化物、隧道氧化物、普魯士藍和聚陰離子化合物）的固有結構特征和電化學性能，Mn、Fe、Ni、V和 Cr等非鈷元素引入正極結構中可以穩定SIB。

接下來討論了電化學穩定性和相變、粒子裂紋、過渡金屬板滑移、晶格畸變、晶格氧氧化和過渡金屬遷移/溶解之間的內在關系，以及增強結構和電化學穩定性的策略（結晶度工程、摻雜、復合相、表面/界面工程、價態調控、原子尺度協同作用和形態工程）。

圖2. SIB中先進無鈷正極材料的內在挑戰和開發策略

盡管近年來在穩定SIBs的無鈷正極材料方面取得了巨大進步，但未來仍需進一步考慮以下問題：

（1）仍需要進一步研究機理和材料設計以擴展無鈷正極材料家族，提高綜合電化學性能；

（2）探索簡便/通用的策略并利用協同效應，如同步體摻雜和表面包覆、復合結構的協同效應等；

（3）利用計算工具（機器學習和 DFT計算）和先進的表征技術（原子級分辨率 STEM、中子衍射、軟/硬 XAS以及原位/operando表征等）深入了解基本的鈉存儲機制并探索新的高度穩定的正極材料；

（4）探索工業應用（材料合成、空氣穩定性、全電池組裝及性能等）。

圖3. 用于SIB的先進無鈷正極材料的潛在方向展望

Advanced cobalt-free cathode materials for sodium-ion batteries, Chemical Society Reviews 2021. DOI: 10.1039/D1CS00442E

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