《钠离子电池基本原理及关键材料》全面介绍了钠离子电池的基础知识，包括其工作原理、关键材料、结构设计和制造工艺。在深入剖析了钠离子在电极材料中的嵌入与脱出机制的前提下，还对各类材料的性能、特点进行了详细分析。此外，本书还探讨了钠离子电池在实际应用中的优势与挑战，以及其在电动汽车、智能电网等领域的潜在应用，展望了钠离子电池技术的商业化路径与市场前景。
本书可作为能源化学、能源化工、化学、应用化学等专业的本科及研究生教材，也可供相关专业从业者参考之用。

侴术雷，温州大学，博士，教授，博士生导师，先后入选教育部长江学者讲席教授、浙江省鲲鹏行动计划，目前担任温州大学碳中和技术创新研究院院长，温州市钠离子重点实验室主任，Wiley旗下高水平期刊《CarbonNeutralization》主编，以及材料学顶*级期刊《AdvancedMaterials》和能源材料顶*级期刊《AdvancedEnergyMaterials》等特约编辑。申请人主要从事钠离子电池关键材料及电池工艺研究，在Science,Nat.Chem.等国际高水平学术期刊发表论文400余篇，被引用37000余次，h因子104，2018年-2023年连续六年入选全球高被引学者。

第一章 引言 1
1.1 钠离子电池简介 5
1.2 钠离子电池发展历程 9
参考文献 10

第二章 钠离子电池基本概念 13
2.1 钠离子电池的工作原理 13
2.2 钠离子电池的类型 14
2.2.1 按照对电极类型分类 14
2.2.2 按照电解质体系分类 16
2.2.3 按照电池结构分类 18
2.2.4 其他类型钠离子电池 20
2.3 钠离子电池的组成及关键材料 21
参考文献 28

第三章 钠离子电池正极材料 30
3.1 钠离子电池正极材料简介 30
3.1.1 正极材料的发展 30
3.1.2 正极材料的基本要求与类型 30
3.2 普鲁士蓝类正极材料 31
3.2.1 Nax Fe[Fe(CN)6 ] 32
3.2.2 Nax Mn[Fe(CN)6 ] 34
3.2.3 其他类型普鲁士蓝 36
3.3 过渡金属氧化物类正极材料 37
3.3.1 层状过渡金属氧化物 37
3.3.2 其他类型过渡金属氧化物 49
3.4 聚阴离子型正极材料 52
3.4.1 磷酸盐型聚阴离子 52
3.4.2 硫酸盐型聚阴离子 57
3.4.3 复合型聚阴离子 59
3.4.4 其他类型聚阴离子 63
3.5 有机正极材料 64
3.5.1 共轭羰基化合物 65
3.5.2 导电聚合物 68
3.5.3 其他类型有机化合物 69
参考文献 71

第四章 钠离子电池电解质 77
4.1 钠离子电池电解质简介 77
4.2 液体电解质 77
4.2.1 有机电解液 78
4.2.2 水系电解液 85
4.2.3 离子液体电解液 86
4.3 固体电解质 88
4.3.1 无机固体电解质 88
4.3.2 聚合物电解质 93
4.3.3 无机-聚合物复合固体电解质 96
参考文献 96

第五章 钠离子电池负极材料 99
5.1 钠离子电池负极基本要求 99
5.1.1 概述 99
5.1.2 钠离子电池硬碳负极材料概述 99
5.2 硬碳负极材料 100
5.2.1 钠离子电池硬碳负极材料储钠原理 100
5.2.2 基于本征因素调控提升硬碳储钠性能的策略 102
5.2.3 基于非本征因素调控提升硬碳储钠性能的策略 111
5.2.4 硬碳负极发展面临的挑战 113
5.3 合金负极材料 114
5.3.1 合金材料储钠原理 114
5.3.2 合金类材料 114
5.3.3 转换-合金类材料 117
5.3.4 合金材料改善策略 119
5.3.5 合金负极材料的发展前景与挑战 121
5.4 有机负极材料 121
5.4.1 有机负极材料储钠机理 122
5.4.2 常见有机负极材料 122
5.4.3 有机负极材料改善策略 124
5.4.4 有机负极材料的发展前景与挑战 125
参考文献 125

第六章 钠离子电池辅材 130
6.1 辅材概述 130
6.2 隔膜 131
6.2.1 隔膜的定义和作用 131
6.2.2 隔膜的各项指标及测试方法 131
6.2.3 隔膜的类型及其特点 134
6.2.4 隔膜未来发展趋势 138
6.3 集流体 139
6.3.1 集流体的要求 139
6.3.2 常用集流体种类 140
6.3.3 电池铝箔生产技术要求 143
6.3.4 集流体的发展趋势 143
6.4 导电剂 143
6.4.1 导电剂的介绍 143
6.4.2 导电剂的分类 144
6.4.3 导电剂未来发展方向 148
6.5 黏结剂 149
6.5.1 钠离子电池黏结剂性能要求 150
6.5.2 常用黏结剂性能对比 152
6.5.3 黏结剂表征手段 153
6.5.4 黏结剂未来发展状况 154
参考文献 154

第七章 钠离子电池的制作过程 158
7.1 钠离子电池设计 158
7.1.1 钠离子电池电芯设计 158
7.1.2 overhang 设计 159
7.1.3 N/P 设计 159
7.1.4 保液设计 160
7.1.5 过流能力设计 160
7.1.6 设计失效原因 161
7.2 混浆工艺 161
7.3 涂布工艺 165
7.3.1 涂布方式 165
7.3.2 涂布工艺及设备未来发展趋势 167
7.4 辊压工艺 167
7.4.1 辊压过程 168
7.4.2 辊压工艺原理 169
7.4.3 辊压设备及其结构 169
7.4.4 辊压关键控制点 170
7.5 分切工艺 170
7.5.1 分切设备及其结构 171
7.5.2 分切关键点 171
7.5.3 分切缺陷 172
7.6 圆柱电池制造 172
7.6.1 电芯设计目标确认 172
7.6.2 电芯生产流程 173
参考文献 179

第八章 钠离子电池表征技术 180
8.1 概述 180
8.2 电化学表征技术 181
8.2.1 循环伏安法 181
8.2.2 恒电流间歇滴定和恒电压间歇滴定技术 182
8.2.3 电化学阻抗技术 184
8.3 结构分析技术 187
8.3.1 X 射线衍射技术 187
8.3.2 同步辐射X 射线衍射技术 189
8.3.3 中子粉末衍射技术 190
8.3.4 对分布函数 191
8.4 电子显微镜及其联用技术 192
8.4.1 扫描电子显微镜 192
8.4.2 透射电子显微镜 194
8.4.3 扫描透射电子显微镜 195
8.4.4 能量色散X 射线谱和电子能量损失谱 197
8.5 光谱技术 198
8.6 其他表征技术 201
8.6.1 X 射线光电子能谱 201
8.6.2 原子力显微镜 202
8.6.3 核磁共振波谱 203
8.6.4 X 射线吸收谱 205
参考文献 207

第九章 钠离子电池中的计算与模拟 209
9.1 钠离子电池中的第一性原理计算 209
9.1.1 薛定谔方程 209
9.1.2 密度泛函理论 210
9.1.3 交换-关联泛函修正法 213
9.1.4 第一性原理计算应用实例 214
9.2 钠离子电池中的分子动力学模拟 220
9.2.1 分子动力学模拟的基本原理 221
9.2.2 分子动力学模拟的基本设置 221
9.2.3 分子动力学模拟的分类 223
9.2.4 分子动力学模拟应用实例 225
参考文献 229

后记 233

人类文明的进步，其实都伴随着能源的进步，从钻木取火，到电动车，再到人工智能。能源作为社会进步和经济发展的基石，其需求量不断攀升。然而，传统化石能源的过度开采和使用不仅引发了资源枯竭的危机，还导致了严重的环境问题，如温室气体排放导致的全球变暖、空气污染和生态破坏等。因此，寻找和开发清洁、可再生的能源已成为全球各国面临的紧迫任务。构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系这一宏伟蓝图，必须以储能技术的创新与突破为坚实基石，而钠离子电池凭借其独特的资源优势、环境友好性和潜在的安全性、低温特性及经济性，已逐步从实验室走向市场，成为储能领域冉冉升起的明星。
回顾钠离子电池的发展历程，可以发现它并非一蹴而就，而是经历了从理论萌芽到沉寂，再到技术突破，最终迈向产业化的漫长道路。钠离子电池的概念最早在20世纪60年代被提出，与锂离子电池几乎同期出现，但受制于当时的技术条件，钠离子电池的研究未能取得实质性进展。进入21世纪，随着动力电池对锂资源需求的激增和锂价的飙升，研究人员开始重新关注钠离子电池。21世纪初期，关键技术和材料的突破使得钠离子电池的研究焕发出新的生机。诸如硬碳负极和新型钠离子正极材料(如钠钒氧化物和钠铁磷酸盐)的发现和改进，以及高性能钠离子电解质的开发，为钠离子电池性能的提升提供了新的可能性。进入21世纪首个十年，钠离子电池的研究进入高潮期，大量的科学研究和技术开发集中在提升钠离子电池的能量密度、循环寿命和安全性上。同时，钠离子电池在大规模储能系统中的应用也逐渐受到关注。到了21世纪20年代，钠离子电池的商业化进程逐步加快，一些电池制造商和能源公司开始投入钠离子电池技术的研发和生产，技术研发的重点主要集中在美国、英国、法国、中国、日本、瑞士和澳大利亚等国家。
为促进能源消费转型，中国政府推出了一系列鼓励政策，不仅将新能源储能纳入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》和《国家发展改革委 国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》(下称《指导意见》)的关键领域，还通过一系列具体措施，如资金补贴、税收优惠、科研项目支持等，为钠离子电池等新型储能技术的发展提供了肥沃的土壤。截至2024年7月，已有25个储能相关的新版国家标准发布，其中13项已于2024年7月1日正式实施。《指导意见》明确提出，到2025年，新型储能从商业化初期向规模化发展转变;到2030年，实现新型储能全面市场化发展。《指导意见》首次从国家层面提出了装机规模目标：预计到2025年，新型储能装机规模将达到3000万千瓦以上，加快钠离子电池等技术的规模化试验示范。此外，国家能源局在2024年1月22日发布的《2024年能源监管工作要点》中明确指出：“保障新能源和新型主体接入电网，监管电网企业公平无歧视地向新能源项目提供接网服务。”在需求和政策的双重推动下，新型储能技术迎来了黄金发展期。钠离子电池作为锂离子电池的“近亲”，因其丰富的资源储量、较低的成本等优势，被视为锂离子电池的重要补充和潜在替代者。特别是在大规模储能和低速电动车等领域，钠离子电池展现出巨大的应用潜力，有望推动我国储能技术的创新和商业化应用，提升我国在全球储能技术领域的影响力。
本书作者来自温州大学碳中和技术创新研究院，十多年来一直致力于高安全性、低成本、高性能钠离子电池的设计与研发，目前在正负极材料、电解液等核心材料方面已申请专利70余项，授权专利9项，并开发出具有自主知识产权的无结晶水普鲁士白正极材料，这在国际上尚属首创。依托温州大学碳中和技术创新研究院的研发成果，温州钠术新能源有限责任公司于2022年成立，专注于钠离子电池及其核心材料的制备与生产，包括普鲁士白正极材料、硬碳负极材料、功能型电解液等。截至2024年7月，公司已成功建立了钠离子电池正负极材料的千吨级中试线及18650、33140圆柱电芯的生产线，研制出软包、圆柱和方形铝壳钠离子电池，该类电池有望在低速电动车和电动船舶上进行示范应用。团队牵头成功举办多次中国国际钠离子电池前沿技术与产业化发展论坛，邀请了众多同行专家和青年学者进行学术与产业的深入交流。
面对钠离子电池的蓬勃发展，以及越来越多青年学者和企业界人士的加入，我们深感撰写《钠离子电池基本原理及关键材料》一书的必要性和紧迫性。本书旨在搭建基础研究与产业化的桥梁，为钠离子电池的研发和应用提供理论与技术支持。编写过程中，团队整合近十年的研究成果与产业进展，并融入近三十年国内外学界关键突破。全书通过全面梳理钠离子电池的发展历程，深入剖析其工作原理，系统总结关键材料的研究进展与应用现状，为广大科研工作者、工程技术人员及政策制定者提供一部集科学性、实用性与前瞻性于一体的参考书。本书介绍了钠离子电池的基本原理，以及电极材料、电解液、隔膜等关键组成部分的研究进展与最新成果，并探讨了其性能优化策略与未来发展方向。建议读者在阅读本书时，首先，掌握钠离子电池的基本原理，这是理解后续内容的基础;其次，关注关键材料的研究动态与性能特点，了解其在钠离子电池中的作用与影响;最后，结合实际应用场景，思考钠离子电池技术的商业化路径与市场前景。在本书的撰写过程中，作者团队进行了大量的文献搜集、图表绘制、数据整理和内容修改等工作。在此，谨向所有参与者表示诚挚的感谢! 同时，也对国家自然科学基金等科研支持单位的长期资助表示由衷的感谢。
我们希望通过本书的出版，能够激发更多人对钠离子电池技术的关注与兴趣，促进跨学科、跨领域的交流与合作，共同推动钠离子电池技术的快速发展与广泛应用，为全球能源结构的优化升级贡献力量。如有疏漏和不妥之处，敬请广大读者批评指正。

编者
2025年10月