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合金材料面临的主要挑战是巨大的体积膨胀，这将导致电极材料的连续粉碎，使电化学性能急剧恶化。近年来，大量的研究工作一直致力于减少体积变化带来的负面影响，提出了几种解决方法。第一种是编写独特的纳米结构，可以更好地适应应力和应变。第二种是采取碳包覆的方法，将碳引入到系统中，将金属颗粒涂上一层碳或插入到碳矩阵中，在这个系统中，碳可以作为一个缓冲区来抑制嵌钠、脱钠过程中的体积变化和金属颗粒的聚集，此外，还可以提高电极的导电性。第三种是合金化，制造锰合金，在这个系统中，两种金属可以相互工作形成缓冲区，减轻体积的影响，第四种是使用电解液添加剂，减少电解质的分离，可以改变电解质的形态、结构和化学成分，最终形成薄的、均匀稳定的固体电解质膜，这将有助于提高钠离子的移动，导致显著的周期稳定性。

（3）金属氧化物。在金属氧化物中，���是钠离子电池负极材料的研究热点之一，按照电化学性能和活性金属氧化物的反应机理，可分成两种类型：如果M属于电化学惰性元素，例如Fe,Co,Ni,Cu,Mn和Mo等，金属氧化物可以经过一步转化与钠反应，生成金属单质和氧化钠：

如果M属于电化学活性元素，例如Sn，Sb等，则金属氧化物先进行转化反应，再与钠进行合金化反应：这些金属氧化物作为负极具有较高的电子反应能力和能量密度，然而它们也具有初次充放电效率低、滞后大和循环性能差的缺陷。通过制备碳纳米孔能够缓解这些缺陷，Chen的小组编写了一个简单的喷雾热解法来制备多孔纳米复合材料γFe2O3@C，均匀分散在多孔碳基中，所得产品具有较大的储钠容量和优秀的循环

稳定性[16]。另外，Wang的小组利用热解Cu(OH)前驱体的方法，制备了Cu0多孔纳米线，提升了循环性和稳定性，并使用非原位拉曼,X射线衍射和投射电镜的方法具体地解释了Cu0的储钠原理[17]。作为钠离子电池的负极材料，金属硫化物也引起了广泛的关注，诸如FeS2，Ni3S2，MoS2，Sb2S3等 。一般来说，NaMSa的形成需要两个步骤：Na插入MSa形成中间体N��MSa，然后N��MSa通过转换反应形成Na2S和M。然而，后者的转换反应通常会使电极材料的体积严重膨胀，可以通过制备MSa/C复合材料和控制截止电压的方法，使氧化物不发生转换反应。这些金属氧化物作为负极具有较高的电子反应能力和能量密度，然而它们也具有首次充放电效率低、滞后大和循环效果差等缺陷。

钠离子电池的电极材料研究迅速，大多数性能和稳定性得到了相应的改善，但有关充放电机理、钠原子在金属中的运动和电化学性质仍需要进行进一步的研究，目前硅基材料是研究和探讨的热点，本文通过多尺度计算方法，建立有钠原子掺杂的硅晶体模型，探索钠原子在硅中的运动特性和扩散特性，并与锂原子进行比较。

1.4钠离子电池硅基负极材料

大多数能量存储系统的负极材料特点为：容量大，循环性能低。因此，设计同时具备容量大且运行周期长的负极材料成为研究的热点，因为硅对钠离子具有超高的存储能力，使硅基材料成为钠离子电池中很有潜力的负极材料。研究新型高效的纳米硅负极材料旨在实现以下改进：容量密度大，成本低廉，快速充放电，循环寿命长。硅的储钠反应式为：

然而硅作为钠离子电池负极材料，也存在充放电性能低，循环效果差等缺点，并且当钠原子进入硅后，会产生巨大的体积膨胀，这巨大的体积变形会使硅产生裂纹和粉碎，因而影响钠离子电池的使用寿命。此外纯硅不具有导电性，需要对其结构和性能进行改造才能投入到钠离子电池负极材料的实际应用中。由于这些问题的阻碍，硅基负极材料目前尚未正式应用到实际生产中。值得关注的是，最近Mulder课题小组利用气相沉积的方法制成了尺寸大约为20nm的无定型Si颗粒，顺利实现了钠离子在Si单质中脱嵌的可逆性，不幸的是，当电流密度为10mA·g1时，其容量仅有279mAh·g1[21]。针对如何提高硅作为钠离子电池负极材料的电化学性能，科研人员开展了大量的工作，对硅基材料的结构、性质以及化学成分等各方面进行了研究，缓解了当钠离子进入时造成的巨大变形，不过目前暂时无法符合作为新型钠离子电池负极材料性能的标准。因此在目前看来，研究钠原子和钠离子在硅基材料中的运动特性是十分必要的，这对于我们更好地理解和分析硅变形的根本原理有很大的帮助，也可以在理论方面指导我们设计出充放电速率快、循环寿命长的硅基钠离子电池。针对上述问题，研究人员进行了很多工作，其中主要包括硅材料复合化和制备纳米硅材料两种。 (责任编辑：qin)