刘兴江:钠离子电池钠离子活性材料的研究进展

 师资体系     |      2021-05-02 13:28
本文摘要:首先,我们来说一下为什么要研发钠离子电池。我国的电池主要应用于在三大产业,即电动汽车、储能和消费电子。 环绕这三个方向,特别是在近几年电动汽车和储能领域发展很快,主打是锂离子电池。动力电池在2015年快速增长了80%左右,而在2016年早已突破了30GWh,随之而来的就是锂电池的荒废和循环问题突显,而且锂的资源也受限。与此同时,储能也是目前发展迅速的产业,特别是在微电网方面不会有大量的储能市场需求,到2020年,预计储能可以比2015年快速增长3倍。

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首先,我们来说一下为什么要研发钠离子电池。我国的电池主要应用于在三大产业,即电动汽车、储能和消费电子。

环绕这三个方向,特别是在近几年电动汽车和储能领域发展很快,主打是锂离子电池。动力电池在2015年快速增长了80%左右,而在2016年早已突破了30GWh,随之而来的就是锂电池的荒废和循环问题突显,而且锂的资源也受限。与此同时,储能也是目前发展迅速的产业,特别是在微电网方面不会有大量的储能市场需求,到2020年,预计储能可以比2015年快速增长3倍。

这么大量的电池市场需求,如果全用锂离子电池的话,不存在两个问题:一个是锂的资源问题,一个是锂的循环利用问题。所以在锂电池之后,我们还有新的自由选择。这就牵涉到到用什么样的电池体系,用什么样的材料。

基于这种考虑到,我们能无法找到储量更加非常丰富,材料更加低廉的体系呢,最后我们自由选择了钠离子电池。对于钠离子电池我们注目的焦点,一个是成本要较低,负极材料要去锂干钴,不必锂离子,也不必成本较高的钴原料;第二是在电动车和储能方面都拒绝电池寿命要长;第三是安全性要好;最后是能量密度要较为适合。钠离子电池和锂离子电池的反应机理相似,负极材料除了磷酸盐或氟化磷酸盐以外,还可以用镍锰层状过渡性金属氧化物。

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在负极材料方面可选择碳类、合金和化合物。在三大类负极材料中,我们还是自由选择最低廉的碳材料。我们对于负极碳材料又展开了硬碳、软碳和石墨烯三个分类的研究。

我们最近的一些研究成果,其中一个是使用层状结构Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作负极材料。经过实验研究和较为,在制取负极原材料的用于上,我们指出用于醋酸盐或草酸盐更佳。

根据文献报导,负极材料如果要用镍锰氧化物,它的循环性能和电池到高电位时的稳定性较好。所以有文献报导可以用镁掺入,替代镍位,这样的话期望它的容量可以更高,这种方法对于取得低能量密度的钠离子电池是很有协助的。除了镁以外,其他掺入的元素可不可以呢?我们自由选择与替代元素离子半径相似的元素做到掺入,比如替代镍位,我们中选了锆(Zr)离子和铜(Cu)离子展开掺入。

材料掺入后与掺入前电化学性能和循环性能都有提升,Zr掺入和Cu掺入比起,Cu掺入的循环稳定性更佳。负极方面,由于硬碳材料处置的方法较为多,我们尝试了用磷掺入硬碳。

掺入磷后静电容量可以提升30%以上,循环特性好。为什么掺入磷后材料性能提升呢?这是由于掺入磷后可以减少钠导电的活性点。在传统的映射反应之外,还多了一些钠离子导电的活性点位。

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另外,在软碳方面,我们搭配了椰壳、杏壳等生物质材料,通过处置,最后取得软碳材料。通过拉曼分析可以找到,这些材料是短层有序、长层无序的结构,微晶的层间距较小,合适钠离子映射。

通过循环实验可以看见,经过200次循环,容量基本没衰降,循环稳定性很好。由此可见,这些生物质材料是很好的廉价的钠离子电池负极材料。再有,对于石墨烯负极我们也做到了研究。

石墨烯材料仅次于的问题是密度较为较低,将来能无法制成低体积比能量的电池还是问题。所以可以考虑到将石墨烯和其他负极材料如软碳、硬碳,以及化合物类或合金类材料展开填充。我们做到了1.5Ah和0.5Ah两种软包仅有电池,负极材料使用前面提及的镍锰氧化物,负极使用生物质的软碳材料,经300次循环后容量衰降为15%。

由此可见,钠离子电池用廉价材料是可以制取的,而且电性能较好。小结,钠离子电池负极材料,我们对镍锰氧化物展开了掺入,来提升它的电性能。

负极材料里边我们研究了软碳、硬碳和石墨烯三种材料。对硬碳展开磷的掺入,可以提升容量;软碳材料循环稳定性较好;石墨烯容量较高,但首效较低。

最后,我们期望基于廉价材料制取的钠离子电池在能量密度上相似或多达磷酸铁锂电池,在电动车和储能方面获得应用于。


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