20世纪70年代末，人们几乎同时对钠离子电池与锂离子电池开展研究。20世纪90年代，由于石墨负极的出现，锂离子电池展现出优异的循环寿命和超高的能量密度，率先实现了产业化。近年来，锂离子电池凭借优异的性能已广泛应用于便携式电子器件、电动汽车等领域。但由于锂资源有限和安全风险，锂离子电池产业无法满足电化学储能领域的巨大需求。钠元素的地壳丰度（2.6％）远高于锂（0.0065％），可以满足大规模应用的需要，钠离子电池被认为是锂离子电池的优质替补和潜在竞争者。同时相对铅酸电池，钠离子电池有绝对优势；相对于磷酸铁锂和三元锂电池，钠离子电池在成本、安全、快充和低温性能上存在相对优势。
钠离子电池正极材料的研究
正极材料是钠离子电池最为关键的材料之一，其性能的好坏关系到钠离子电池的能量密度、成本和循环性能等。目前研究较多的钠离子电池正极材料有: 过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝化合物。
1.过渡金属层状氧化物
过渡金属氧化物通常用naxmo2(m 代表co、fe、mn 和ni 等)表示。层状氧化物主要分为o2、o3、p2、p3型，其中“o”或“p”表示钠离子在八面体或棱镜中的位置，数字表示不同氧化层的重复排列单元。钠离子电池层状金属氧化物最常见的是o3型和p2型两种结构。这两种结构的层状氧化物作为钠离子电池的正极材料时各有优势: o3相正极材料具有较高的初始na含量，能够脱出更多的钠离子，具有较高的理论比容量；p2相正极材料具有较大的na 层间距，可提升钠离子的传输速率，具有较好的倍率性能和循环性能。尽管层状钠离子过渡金属氧化物的体积能量密度较高，但在充放电过程中存在材料结构相变可逆性差、电极/电解液界面不稳定等问题。利用其化学组分和结构的良好可调节性，通过将不同过渡金属元素互相掺杂或取代制备出不同的二元、三元甚至多元的层状过渡金属氧化物，发挥不同过渡金属元素的协同效应，使得其化学性质、电化学性能得到不同程度的改善。层状氧化物制备工艺与锂离子电池三元正极材料相似，设备可以通用，是目前产业化最成熟的钠离子电池正极材料。
2.聚阴离子类化合物
naxmy[(xom)n-]z（m为可变价的过渡金属，x为p、s、si等元素）聚阴离子化合物具有很好的结构稳定性。这类材料一般是由含m和含x的多面体，以共顶点或共边的方式互相连接构建起的框架结构，而钠离子则位于该框架结构的间隙之中。常见的聚阴离子材料主要包括na3v２(po４)3、na3v２(po４)2f3、nafepo４、na２fe２(so４)3、na２fe２p２o７等。得益于聚阴离子基团xom中x-o之间较强的共价键，该类材料具有优异的结构稳定性。但由于聚阴离子本身的分子量偏大，使得理论容量较小限制在120 mah/g左右，同时还存在导电性差和振实密度较低的问题。在众多的聚阴离子材料中，钒基化合物具有相对较好的综合电化学性能，但是钒较高的价格限制了其应用。锰和其他廉价金属部分取代钒是降低其成本的重要途径。nafepo４和na２fe２p２o７等虽能量密度相对较低，但是成本低廉，循环性能优异，有望在储能等领域实现应用。与锂离子电池中的磷酸铁锂材料类似，聚阴离子类正极材料可通过碳材料复合和掺杂技术解决电子导电性差的问题，合成方法也比较类似，因此聚阴离子类正极材料也是目前钠离子电池产业化进程较快的正极材料。
3.普鲁士蓝类化合物
普鲁士蓝{pb，naxfe[fe(cn）６]}及其类似物{pba，naxm[fe(cn）６]，m=co，mn，ni，cu等}是由金属-氰根配位键形成的开放性框架结构，具有足够容纳钠离子的空间，因而很容易进行可逆的离子嵌入/脱出反应，是少数能够容纳更大碱性阳离子(如na 和k )的正极基体材料之一。此外，除了多种m金属外，pb中的fe元素也可以被其他具有可变价性质的过渡金属，如co、ni、mn、cu和zn等取代，形成一系列结构相似但电化学性能不同的正极基体材料。由于材料的成本低、结构稳定性和电化学稳定性高，pba特别是fe基和mn基的pba，用作商业钠离子电池的高性能正极材料时具有广阔的发展前景。普鲁士蓝正极材料成本低廉、理论容量高（170 mah/g），其缺点主要是配位水易与电解液发生反应，导致电芯产气。解决普鲁士蓝类化合物结晶水的问题是其实现商业化应用的关键。
钠离子电池负极材料的研究
钠离子电池负极材料主要有碳基负极材料、合金化负极材料、嵌入型负极材料及转化反应型负极材料等。
1.碳基负极材料
在钠离子电池中最有商业化前景的碳基负极材料当属硬碳材料。在2000年，j.r.dahn等人在1000℃下加热葡萄糖制备出的硬碳材料展现出良好的储钠性能，可以释放300 mah/g的可逆容量。其中在充放电曲线1v以下出现的斜坡区对应na 嵌入碳层之间，而在0.1 v以下的低电压时出现的平台区对应na 嵌入随机排布的碳层之间的纳米空隙之中，该嵌入过程与吸附的过程类似。硬碳材料最具实用化的潜力，但要注意其嵌钠电位与金属钠接近有形成钠枝晶的风险，需要研究解决。前驱体碳源是影响硬碳性能和成本的关键。树脂类碳源（酚醛树脂）得到的硬碳材料杂质少，电化学性能好，但成本较高。生物质类碳源（椰子壳、核桃壳、竹子、芦苇、淀粉等）成本低廉，来源广泛，主要问题是如何保证生物质的一致性。
相比于硬碳负极，软碳负极的缺陷较明显，首先是容量低（200 mah/g左右），其次软碳首次库仑效率也比硬碳低。无烟煤是常用于生产软碳负极的原材料，原料来源广泛、价格低廉，生产工艺简单。但无烟煤中含有 3%~5%的灰分及硫杂质，需要提纯后才能使用，极大的影响成本。
2.合金化负极材料
合金化负极材料，如sn、p、ge、sb基负极材料能与金属钠通过形成合金的方式发生电化学反应。该类材料最大的优势是理论容量高，分别为847 mah/g的na１５sn４、660 mah/g的na3sb、1108 mah/g的na３ge、2596 mah/g的na3p。但该类材料存在严重的体积膨胀与收缩问题，使得新出现的材料暴露于电解液中引起材料表面sei膜不断生成加厚，并造成电解液分解；还会引起材料的粉化和脱落，最终都使得容量发生迅速衰减，难以享受其高容量带来的益处。通过与碳材料复合或使用电解液添加剂，可以适当抑制性能衰减而改善其循环稳定性。但该类材料还停留在实验室研发阶段，距离实用化的道路还比较遥远。
3.嵌入型负极材料
嵌入型负极材料主要是含ti元素的一些化合物，主要利用电位较低的ti3 /ti4 变价，由于它比碳基材料的电位稍高，因此不必担心电位接近钠金属诱发钠析出而发生枝晶问题，电池的安全性得以提高。常见的嵌入型负极材料有nati２(po４)３、na２ti３o７、natio２、na0.66li0.22tio２等，容量在200 mah/g以下，同时嵌钠电位较高和首次库仑较低，极大地限制了其应用前景。
钠离子电池全电池研究
除了选择高性能的正负极关键材料外，通过界面调控、电解液优化、容量匹配及预钠化技术等也可以构建高能量密度、高功率密度及长循环寿命的钠离子电池。
1.界面调控
在钠离子全电池中，电极/电解液界面的不稳定会导致可持续的不可逆的钠离子消耗，从而导致性能的持续恶化。因此，为了确保整个电池能够长时间使用，需要改善界面的稳定性。电解液对界面有重要影响。目前，钠离子电解液多以酯类有机溶剂（ec、dec、dmc等）为载体，其中添加一定浓度的钠盐（napf６）和功能添加剂。通过调控电解液组分与溶剂化结构，寻找最优的电解液组分配比，以此来提升钠离子电池中电荷的传输效率和电极/电解液界面稳定性，是开发高性能钠离子电池的重要途径。
2.容量匹配
电池的能量密度受其重量限制，控制正极（mc）和负极（ma）的质量比（mc/a）是提升全电池能量密度的有效手段。以硬碳负极（hc，比容量300 mah/g）和na3v２o２(po４)２f正极（比容量120 mah/g）组装全电池，平均工作电压假设为3.8 v。当全电池的库伦效率达到100%，mc/a值为2.5（正负极容量比为1）时，该全电池能达到最高的能量密度325.7 wh/kg。当mc/a< 2.5时，电池的的容量由正极决定，能量密度会随着mc/a的增加而迅速增加；当mc/a＞2.5时，电池的容量由负极决定，能量密度则随着mc/a增加而缓慢下降。
3.预钠化技术
采用预钠化技术提供额外的钠源，补偿全电池在首次充放电过程中的不可逆容量，也可以有效地提高钠离子全电池的能量密度。根据钠源和预钠机理的不同，预钠化技术可以分为物理预钠法、电化学预钠法、化学预钠法和引入正极补钠添加剂。
基于金属钠粉末或钠箔的物理方法是最直接的预钠化方法，但也是气氛要求最严苛的方法。由于金属钠的活性极高，暴露在空气中就会发生激烈反应，使得该方法很难实现大规模的商业化应用。电化学方法能够形成均匀的sei 膜，获得较好的预钠化效果，但繁琐的工艺过程极大增加了该方法的成本。通过液相浸泡和化学喷涂的方法对钠离子电池负极进行预钠化显示出较好的补偿活性钠离子损失的能力，虽然溶液中阴离子的种类有进一步调整的空间，可能会影响到sei膜的均匀性和致密性，但该方法有较大的应用潜力。正极添加剂预钠化方法具有低成本、高性能、操作简单和安全性高等优点，是目前最具商业化潜力的预钠化方法。但该预钠化方法不可避免地会受到正极添加剂产生的“死质量”“死体积”或释放的气体造成的不利影响。如何缓解这些缺点带来的不良后果，是将来的重点研究方向。
结论
1.层状氧化物具有较高的比容量，是最有前景的钠离子电池正极材料。为了进一步提升高能量密度和循环性能，可以引入合适的元素进行掺杂或取代来提升层状氧化物正极的工作电位和循环性能。较低的能量密度、压实密度和低导电性是聚阴离子型正极面临的主要问题，形貌调控、碳包覆和掺杂是目前优化其电化学性能的关键。
2.硬碳是目前最具商业化前景的钠离子电池负极材料，首次库仑效率不佳、析钠和成本高等是硬碳面临的主要问题。生物质硬碳成本低廉，具有良好的应用前景。
3.构建高性能的钠离子全电池，不仅需要选择合适的正、负极材料，以及正确的质量配比，还需要适配的电解液，促使生成稳定、离子传输性能优异的电极-电解液界面，进而提升电池的循环寿命和倍率性能。预钠化技术的应用可以补偿钠离子全电池中可逆容量的损失，有望提升钠离子全电池的能量密度。