随着锂资源不足的问题日渐凸显，发展不受资源束缚的钠离子电池逐渐成为新能源行业的焦点之一。本书分为上、下两卷，对钠离子电池的负极材料（石墨、硬碳、合金负极）、正极材料（层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝）、电解液（碳酸酯电解液、醚基电解液、离子液体）、固体电解质（聚合物电解质、氧化物电解质）、电池界面、表征手段、理论计算、失效机制、安全性、固态电池、环境适应性及生命周期评估、产业化应用等进行了系统概述，同时对高功率器件、海水电池等技术进行了介绍。书中对各类关键材料及涉及的基础科学问题、技术、理论等研究现状和产业应用发展等进行了全面讨论，为研究人员提供了钠离子电池从材料、理论，到技术与应用的全方位资料，希望能对钠离子电池的研究发展和产业化略尽绵薄之力。本书适用于从事二次电池、新能源储能行业的有关人员学习参考，也可作为高校新能源相关专业师生的参考书。

1.本书旨在提供钠离子电池材料发展的新进展，分为上、下两卷，系统全面阐述了钠离子电池材料、表征与技术，提供了从基础研究到产业应用的全方位指南，助力钠离子电池基础研究与产业化进程，推动储能技术创新发展。2.本书覆盖了钠离子电池的材料、表征、应用、安全、商业化等相关内容，由来自不同国家的专家们执笔，内容系统，学术前沿。（1）材料体系全面覆盖。聚焦钠离子电池核心材料，涵盖石墨、硬碳、合金负极，层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝正极，以及电解液、固体电解质等关键组分。通过对比分析锂/钠体系差异，揭示材料设计的科学本质，为突破钠电性能瓶颈提供理论支撑。（2）前沿表征与理论深度结合。独创性整合X射线/中子散射、核磁共振、对分布函数（PDF）等先进表征技术，结合密度泛函理论（DFT）与分子动力学模拟，从原子尺度解析钠离子存储机制、界面演化及失效行为。书中详述原位实验设计与数据分析方法，为科研人员提供从现象到机理的全流程研究范式。（3）产学研融合导向。不仅涵盖实验室级材料探索，更延伸至失效机制、安全性评估、环境适应性及拓展应用场景（如高功率器件、海水电池）。通过剖析中科海钠等企业示范案例，架起基础研究与工程落地的桥梁，助力读者把握技术商业化脉络。3.本书可以帮助科研人员可快速定位领域研究空白，启发创新方向；可以帮助工程技术人员熟悉工艺开发与性能提升；可以帮助高校师生深化知识理解；可以帮助政策制定与投资者厘清技术经济性，规避投资风险。

针对钠离子电池的研究早在20世纪70年代就和锂离子电池几乎同时展开，然而，由于其性能原因，几十年来研究工作一度停滞不前，直到2010年前后才又掀起研究的热潮。目前，钠离子电池已经是非常热门和活跃的研究领域，其主要目的是基于丰产和不受资源束缚的电池技术，发展其储能化学及工艺制造技术。钠离子电池与锂离子电池工作原理相同，也都是基于嵌脱型的电极材料及有机电解液体系，可以直接借鉴许多现成的原理和经验，这也是钠离子电池材料研究发展如此迅速的重要原因。此外，钠离子电池与锂离子电池的生产制造工艺及技术相同，极大地降低了钠离子电池大规模制造时的技术壁垒，这也是相比其他电池技术的一个重要优势。锂资源相对稀缺，已被欧盟列为关键原材料，而钠资源是锂的1000多倍，且在全球分布广泛，因此不像锂离子电池那样可能面临原材料的供应问题。然而，值得注意的是，由于碱金属在电池重量中占比很小，仅仅是将锂替换成钠来开发可持续的电池技术远远不够，还需要尽量规避例如钴等其他的关键原材料。锂离子电池中的铜集流体可以被更加廉价、丰产和易循环利用的铝来代替，并且钠离子电池正极材料的选择也更加丰富，可以利用许多如铁、锰、铜等元素来代替锂离子电池中常用的钴、镍等元素（钴也被欧盟列为关键原材料，而McKinsey预测到2030年镍的需求会增长25倍）。近些年的芯片危机无疑明确了世界经济的脆弱以及其对材料供应的高度依赖性，而更加多样性的电池化学可以更好地规避未来材料供应链的波动问题。尽管具体的电芯情况可能不同，但受限于更低的电压，钠离子电池的能量密度相比锂离子电池总体低20%左右。钠离子电池可与磷酸铁锂基的锂离子电池性能相当，但欧盟也将磷矿资源列为了关键原材料。而与目前和锂离子电池共同被广泛使用的铅酸电池相比，钠离子电池具有显著提升的能量密度。因此，钠离子电池的主要应用场景不在于超越锂离子电池，而更适合大规模储能及小型电动汽车。令人振奋的是，全球已有多家企业活跃在钠离子电池材料与技术的发展上。Faradion（Reliance）、AMTE、Tiamat和中科海钠展示了不同的技术路线，开展了多项应用示范。Natron Energy也开发了针对高功率应用场景的钠离子电池产品。中科海钠于2018年推出了搭载80A·h钠离子电池的微型电动汽车，并于2019年和2021年分别投运100kW·h和1MW·h钠离子电池储能系统。该公司发布的软包钠离子电池平均工作电压3.2V，能量密度145W·h/kg，2C充放电倍率下循环4500次容量保持率83%，并可在?40℃环境下运行。尽管此前人们一致认为钠离子电池的主要市场是在储能领域，但动力电池龙头企业CATL于近期宣布，将开发锂/钠离子电池混用电池包用于电动汽车市场，其中钠离子电池可提供更高的功率及更好的低温性能，而锂离子电池可以保障足够高的整体能量密度，从而将两种电池技术的优势结合起来。一众企业宣布了将在未来几年实现钠离子电池的量产，我们也对钠离子电池能否在竞争的环境中实现真正的应用拭目以待。如前文所述，不受资源束缚是大力发展钠离子电池的一个重要原因。从科学的角度，由于钠离子比锂离子大30%左右，将锂替代成钠也会带来很多问题。不同的尺寸所导致的极化会极大影响离子扩散、材料相变、溶剂化结构、吉布斯自由能和电荷转移等。更大尺寸的钠离子会带来更多有利还是不利的性质是一个关键的问题。本书旨在提供钠离子电池材料发展的新进展，分为上、下两卷。上卷首先介绍和讨论了石墨、硬碳、合金这些负极材料；并且概括了重要的正极材料，包括层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝；接下来介绍了应用于钠离子电池研究的表征手段，包括X射线/中子散射、核磁共振、对分布函数和理论计算等。下卷首先讨论了碳酸酯基和醚基电解液、离子液体、聚合物电解质以及氧化物固体电解质；然后介绍了钠离子电池的失效机制、安全性以及制造技术和环境相关内容；最后介绍了高功率器件、海水电池和全固态电池。由衷地感谢所有作者在本书编写中付出的努力以及提供的专业意见，希望本书的内容能够给钠离子电池的研究人员带来一定的帮助与支持。衷心希望钠离子电池未来可期。编　者

Maria-Magdalena Titirici：英国帝国理工学院可持续能源材料首席，英国皇家工程院新兴可持续发展技术首席。Philipp Adelhelm：德国柏林洪堡大学物理化学领域教授，同时在德国材料与能源洪堡中心领导原位电池分析课题组。胡勇：中国科学院物理研究所研究员、清洁能源实验室主任、中科海钠创始人。

译者序前言第1章　钠离子电池石墨负极　// 11.1　概述　// 11.2　石墨与石墨嵌入化合物（GIC）　// 11.3　石墨作为锂/钠离子负极材料　// 31.3.1　石墨在锂离子电池中的应用（富锂二元GIC）　// 31.3.2　在钠离子电池中使用石墨的问题（缺乏富钠二元GIC）　// 41.3.3　在钠离子电池中使用石墨的解决策略（利用富钠的三元GIC）　// 41.4　石墨在钠离子电池中应用的最新进展　// 61.4.1　循环过程中晶格和电极膨胀　// 61.4.2　电解质影响　// 81.4.3　温度影响　// 91.4.4　理化性质　// 101.4.5　SEI　// 121.4.6　增加容量　// 131.5　展望　// 14参考文献　// 14第2章　钠离子电池硬碳负极　// 202.1　概述　// 202.2　硬碳结构特征　// 222.3　硬碳材料表征　// 222.3.1　碳层间距及无序度　// 232.3.2　缺陷表征　// 252.3.3　孔结构表征　// 272.3.4　表面成分及电极-电解液界面表征　// 282.3.5　其他原位/非原位表征技术应用　// 292.4　硬碳储钠机理　// 312.5　钠离子电池硬碳负极分类　// 332.5.1　生物质衍生硬碳　// 332.5.2　杂原子掺杂硬碳　// 352.5.3　其他硬碳材料　// 392.5.4　软硬碳复合材料　// 402.6　总结与展望　// 41附录　常用缩写词　// 42参考文献　// 42第3章　钠离子电池合金型负极　// 483.1　概述　// 483.2　合金型负极材料面临的主要挑战　// 483.2.1　体积膨胀　// 483.2.2　不稳定的SEI膜　// 493.2.3　电压滞后　// 493.2.4　电化学反应机理　// 503.3　高性能合金型负极的实现策略　// 503.3.1　纳米结构　// 503.3.2　形貌和电极结构调控　// 513.3.3　结构工程　// 513.3.4　表面工程　// 523.3.5　复合材料设计　// 523.4　合金负极改性　// 533.4.1　磷（P）　// 533.4.2　硅（Si）　// 563.4.3　锡（Sn）　// 563.4.4　锗（Ge）　// 583.4.5　锑（Sb）　// 593.4.6　铋（Bi）　// 613.4.7　金属间化合物　// 633.5　总结　// 64参考文献　// 65第4章　钠基层状氧化物正极材料　// 734.1　结构类型　// 744.2　高电压镍基层状氧化物　// 764.2.1　概述　// 764.2.2　一元Ni基层状氧化物　// 764.2.3　二元Ni/Fe基层状氧化物　// 774.2.4　二元Ni/Mn基层状氧化物　// 774.2.5　结论与展望　// 814.3　低成本Mn及Fe基层状氧化物　// 814.3.1　概述　// 814.3.2　一元Mn和Fe基层状氧化物　// 824.3.3　二元Mn/Fe基层状氧化物　// 834.3.4　掺杂的二元Mn/Fe基层状氧化物　// 854.3.5　结论与展望　// 874.4　阴离子参与氧化还原的层状正极材料　// 874.4.1　概述　// 874.4.2　增强氧的氧化还原活性及其可逆性的方法　// 884.4.3　结论与展望　// 924.5　总结与未来发展趋势　// 92参考文献　// 92第5章　钠离子电池聚阴离子类磷酸盐正极材料　// 1025.1　引言　// 1025.2　磷酸盐类电极材料　// 1045.2.1　过渡金属磷酸钠（PO43?）　// 1045.2.2　过渡金属偏磷酸钠(PO43?)3　// 1065.2.3　过渡金属焦磷酸钠（P2O74?）　// 1085.2.4　过渡金属氧磷酸钠（OPO4）　// 1105.2.5　过渡金属氟磷酸钠　// 1125.2.6　氟化氧磷酸钒钠Na3V2(PO4)2F3?xOx(0x2)　// 1135.2.7　过渡金属亚硝酸钠Na2MⅡ2(PO3)3N和Na3MⅢ(PO3)3N　// 1165.3　混合聚阴离子类电极材料　// 1175.3.1　磷酸盐-焦磷酸盐混合聚阴离子化合物[(PO4)(P2O7)]　// 1175.3.2　碳酸盐-磷酸盐混合聚阴离子化合物[(CO3)(PO4)]　// 1215.4　总结与展望　// 122参考文献　// 125第6章　钠离子电池的普鲁士蓝电极　// 1336.1　概述　// 1336.2　结构与化学键　// 1336.3　影响电化学行为的因素　// 1356.3.1　结构转变　// 1356.3.2　空位和水分子　// 1366.4　合成策略　// 1376.4.1　溶液共沉积法　// 1376.4.2　水热法/溶剂热法　// 1376.4.3　电镀　// 1386.5　水性钠离子电池　// 1386.5.1　单氧化还原PBA　// 1386.5.2　多电子氧化还原PBA　// 1396.5.3　全PBA水性钠离子全电池（ASIB）　// 1406.6　非水性SIB　// 1416.6.1　NaxM[Fe(CN)6]?单氧化还原位点　// 1416.6.2　NaxM[Fe(CN)6]?多氧化还原位点　// 1436.6.3　NaxM[A(CN)6]?改变C-配位金属　// 1446.7　商业化实用性　// 1456.8　挑战和未来方向　// 145参考文献　// 146第7章　利用原位X射线和中子散射技术从原子尺度研究钠离子电池　// 1517.1　原位研究的重要性和优点　// 1517.2　原位X射线粉末衍射　// 1547.2.1　X射线源和探测器的选择　// 1547.2.2　设计基于X射线粉末衍射的原位电池　// 1567.2.3　构建适用于原位X射线衍射实验的钠离子电池　// 1577.2.4　X射线粉末衍射数据的分析　// 1597.3　基于原位X射线粉末衍射技术研究钠离子电池的实例　// 1607.4　能提供结构信息的其他原位技术　// 1627.4.1　中子粉末衍射　// 1627.4.2　利用全散射和对分布函数分析局域原子结构　// 163参考文献　// 166第8章　钠离子电池的核磁共振研究　// 1708.1　概述　// 1708.2　电池材料的NMR相互作用　// 1718.2.1　四极相互作用　// 1718.2.2　顺磁作用　// 1738.2.3　奈特位移　// 1748.3　电池材料NMR谱的采集　// 1758.3.1　魔角旋转　// 1758.3.2　电池材料的非原位NMR表征　// 1778.3.3　电化学池的工况原位/现场原位NMR检测　// 1788.4　案例　// 1808.4.1　碳基负极的嵌钠反应　// 1808.4.2　正极材料的固体NMR研究　// 1888.4.3　NaPF6?基电解液的分解　// 1928.5　总结与展望　// 194参考文献　// 195第9章　钠离子电池电极材料模拟　// 2039.1　概述　// 2039.2　密度泛函理论和分子动力学模拟　// 2039.2.1　DFT模拟中的近似值　// 2049.2.2　吸附能和插层能　// 2049.2.3　相稳定性　// 2059.2.4　电压曲线　// 2059.2.5　钠迁移和扩散　// 2059.3　正极材料　// 2069.3.1　层状正极材料　// 2069.3.2　聚阴离子正极材料　// 2099.3.3　普鲁士蓝类似物　// 2149.4　负极材料　// 2159.4.1　碳基负极材料　// 2159.4.2　二维负极材料　// 2189.4.3　层状负极材料　// 2209.4.4　合金钠离子电池负极材料　// 2259.5　总结　// 228致谢　// 229参考文献　// 229第10章　对分布函数在钠离子电池研究中的应用　// 23710.1　全散射及对分布函数（PDF）简介　// 23710.1.1　常规晶体分析（布拉格衍射）和全散射　// 23710.1.2　对分布函数的定义　// 23810.1.3　获得对分布函数的实验方法　// 23910.1.4　电池材料数据收集方法　// 24010.2　分析对分布函数　// 24210.2.1　独立于模型的分析　// 24210.2.2　PDF分析建模　// 24310.3　钠离子对分布函数分析电池材料　// 24510.3.1　硬碳阳极　// 24510.3.2　锡阳极　// 25010.3.3　锑阳极　// 25210.3.4　Na(Ni2/3Sb1/3)O2中的局域阳离子有序度　// 25410.3.5　水钠锰矿材料　// 25510.3.6　电解质　// 25710.4　对分布函数应用的前景　// 258参考文献　// 259