钠离子电池

钠离子电池

近年来，随着电子设备、电动工具、小功率电动汽车等迅猛发展，研究高能效、资源丰富及环境友好的储能材料是人类社会实现可持续性发展的必要条件。为满足规模庞大的市场需求，仅依靠能量密度、充放电倍率等性能衡量电池材料是远远不够的。电池的制造成本与能耗是否对环境造成污染以及资源的回收利用率也将成为评价电池材料的重要指标。

目前，锂离子电池是最有前途的高能电池系统，但随着数字、交通等行业对锂离子电池依赖程度的提高，有限的锂资源将面临短缺问题。钠离子电池的研发可以在一定程度上缓解锂资源短缺造成的电池发展受限。如果在此基础上开发出性能优良、安全稳定的材料，钠离子电池将比锂电池具有更大的市场竞争优势。从目前的研究进展来看，与锂离子电池相比，钠离子电池有三个突出的优势：① 原料资源丰富，成本低，分布广；② 钠离子电池的半电池电位比锂离子电池高0.3~0.4V，即可以使用分解电位较低的电解质溶剂和电解质盐[1]，电解质的选择范围更广；③ 钠电池具有相对稳定的电化学性能，使用更安全。同时，钠离子电池也有缺陷。例如，钠的相对原子质量远高于锂的相对原子质量，导致理论比容量较小，小于锂的1/2；钠离子的半径比锂离子大70%，这使得钠离子更难嵌入和从电池材料中分离。阴极材料通常包括层状naxmo2、聚阴离子和其他阴极材料。负极材料大致分为碳基材料、金属及合金材料、金属氧化物材料和其他材料。碳基负极材料

研究者普遍认为，除非在高温或高压的环境下，否则要使大量钠嵌

由于很难进入石墨层，使得钠离子电池负极材料的研究非常困难。1993年，doeff等人报道了煅烧石油焦的电化学储钠性能。该材料的可逆容量仅为85mAh/g。Stevensa等人系统地研究了不同碱金属元素（主要是钠和锂）插层和去除中间相碳微球（MCMB）的过程。MCMB的制备过程如下：葡萄糖溶液在空气中180℃加热脱水24小时，然后球磨至300℃μm，置于管式炉中，以1℃/min的速度加热至1000℃，取出样品，再次球磨，筛选出直径小于75μM的样品，用M颗粒作为负极材料，均匀地涂覆在铜片上。虽然理论上Na嵌入MCMB比Li更困难，但结果表明，嵌入MCMB阴极材料的钠离子比容量接近锂离子，高达300mAh/g，是一种高容量的阴极材料。里卡多·坎塔拉和其他人试图使用炭黑作为储存钠的负极材料。研究发现，石墨化无孔炭黑的层状无序分布只提供了钠的储存空间，可以实现钠离子的可逆脱嵌。其可逆比容量可达200MAH/g，具有较高的商业应用价值，但循环性能有待提高。据报道，碳基负极具有很高的比容量，但大多数都使用很低的电流（C/70或C/80）或高温(≥ 因此，研究和开发具有良好储钠能力的负极材料是近年来负极材料研究的一个重要方向。因此，人们开始研究其他材料。

硬碳和软碳材料属于长程无序的碳材料，层间距远远大于石墨，石墨的d002在0.3355～0.3364nm范围，硬碳层间距较大，平均间距一般在0.41nm，适合储钠。

硬碳是指难以石墨化的碳。它来自高分子聚合物的热解，石墨化程度低

层状构造不发达，且晶粒取向不规则，层间距也比石墨大。将具有特殊结构的交联树脂在1000℃左右热解可得硬碳。这类碳在2500℃以上的高温也难以石墨化，常见的硬碳有树脂碳(如酚醛树脂、环氧树脂和聚糠醇pfa-c等)、有机聚合物热解碳(如pfa、pvdf和pan等)和炭黑(乙炔黑)等。目前研究的硬碳储钠最高比容量可大于300mah/g，由糖热解制备得到硬碳材料，通过控制材料的比表面积和结构无序度，可调控材料的可逆比容量。蔗糖在氩气气氛中，经6h，1100℃热解得到的硬炭材料，在0.1c下120周循环后比容量仍大于300mah/g，软碳易石墨化性，可采用石油焦，煤焦等热处理获得，但是储钠比容量比储锂比容量低。

除碳基外，钛基阳极材料也是另一种选择

随着纳米合成技术的迅速发展，除碳材料外，氧化物、合金及其复合材料等也相继成为钠离子电池负极材料的研究热点。2021年，xiong等制备出可以直接生长在集流体上的非晶态tio2纳米管负极材料，纳米管的直径一般都略大于80nm，可实现活性材料与电解液的高效接触。实验证明，tio2纳米管负极在50ma/g的充电速率下循环15次后，可逆比容量能保持在150mah/g。研究还测试了tio2纳米管/na1.0li0.2ni0.25mn0.75oδ全电池的性能，在充放电速率为11ma/g，电压区间1.0～2.6v时，首次充电比电容量约为80mah/g；在11c（560ma/g）高充放电倍率下，容量保持率可以达到70%。因此，tio2纳米管有望成为良好的钠离子电池负极材料。2021年，bi等在多孔的泡沫状ti基体上合成自组装的无定形tio2纳米管合