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近日，我校電氣與電子工程學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)碩士研究生李譽以第一作者在國際頂尖期刊Advanced Energy Materials(中科院JCR一區(qū)TOP期刊，影響因子24.884)發(fā)表了題為“Heteratom Doping: An Effective Way to Boost Sodium Ion Storage”的綜述論文(DOI/10.1002/aenm.202000927)。電氣與電子工程學(xué)院陳明華教授為論文的通訊作者。

據(jù)介紹，由于太陽能、風(fēng)能和潮汐能等可再生清潔能源其存在間歇性和區(qū)域性劣勢，通常需要大規(guī)模儲能系統(tǒng)的輔助。盡管鋰離子電池已在電動汽車、電子設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但鋰礦物資源有限且在地殼分布不均導(dǎo)致其高昂的原材料成本。與移動電子設(shè)備的能量存儲和電氣化運輸不同，大規(guī)模儲能系統(tǒng)需達到足夠大的兆瓦級容量存儲能力，進而滿足可再生能源和智能電網(wǎng)的需求。因此需要原材料豐富，成本較低的儲能器件來滿足這種大規(guī)模的電力存儲。鈉離子電池因其原材料豐富且成本較低，被廣泛認為在未來可再生能源儲能系統(tǒng)中具有巨大應(yīng)用潛力。近年來，有關(guān)鈉離子電池電極材料及其儲能機理已被廣泛研究，但其能量密度和循環(huán)壽命等依然無法與鋰離子電池媲美。針對新型正負極材料的改性策略及相關(guān)機制，成為目前研究的熱點與難點。

研究發(fā)現(xiàn)，雜原子摻雜（包括非金屬摻雜和金屬離子摻雜）能夠有效地調(diào)整本征材料的載流子/離子遷移、吸附能力、反應(yīng)活性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等基本特性，并且不同類型的雜原子摻雜作用機制也不盡相同，結(jié)合不同雜原子摻雜的優(yōu)勢及協(xié)同效應(yīng)，雜原子摻雜策略有望幫助鈉離子電池突破現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸，推動其在大規(guī)模電力存儲領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

雜原子摻雜的發(fā)展歷程示意圖

文章系統(tǒng)地、全面地概述了雜原子摻雜的合成方法、改性機理及對儲鈉能力影響的最新進展。分別詳細地闡述了非金屬摻雜（氮、硫、磷、硼摻雜等，雙摻雜，三摻雜）和金屬離子摻雜（鎂、鈦、鋁、鐵、鎳離子摻雜等）對鈉離子電池正、負極材料在基礎(chǔ)性質(zhì)（電子分布、分子構(gòu)型、晶格結(jié)構(gòu)等）和綜合特性（導(dǎo)電性、儲鈉容量、擴散勢壘、吸附能力等）的影響，介紹了不同種雜原子摻雜的優(yōu)勢和問題以及多元素摻雜中協(xié)同效應(yīng)機制的最新研究進展。作者指出，盡管已有不少關(guān)于雜原子摻雜的相關(guān)報道，但低成本、高度可控的雜原子摻雜方法仍未實現(xiàn)。同時，在機理方面，每種雜原子摻雜在摻雜位置、構(gòu)型、濃度及其功能等方面仍需要進行更深層次地探討。多元素摻雜的協(xié)同機制還處在初始階段，需要更多更細致地研究來分析不同雜原子之間的相互作用機制及其對宏觀性能的影響。最后，文章展望了未來雜原子摻雜技術(shù)的研究方向，并結(jié)合電解液、新型隔膜等方面的最新研究成果指出了未來鈉離子電池在儲能領(lǐng)域?qū)⒁鎸Φ臋C遇和挑戰(zhàn)。