鈉離子電池材料
關注創建者：果凍啊 創建時間：2018-09-17
鈉離子電池材料的實例教程
引言：
隨著現代生活中對可攜帶式電子設備和大規模能量儲存裝置的需求不斷提高，“后鋰離子電池” 代表性新體系的鈉離子電池（Na-ion batteries, NIBs）受到了廣泛的矚目。鈉離子資源在地殼分布即豐富、又均勻、成本低廉、可快速充放電性能等優點。但是鈉離子的體積比鋰離子大，傳統的鋰電池負極材料“石墨”不能在鈉離子電池體系中工作。所以需要開發出能用于鈉離子電池的負極材料。
成果簡介：
近日，延邊大學權波博士（第一作者）和韓國首爾國立大學電化學能源研究團隊合作在國際期刊Advanced Science《尖端科學》上在線發表了題為“Solvothermal‐Derived S‐Doped Graphene as an Anode Material for Sodium‐Ion Batteries”的文章。文章利用一種新型熱處理法制備出硫摻雜石墨烯，并用于鈉離子電池負極材料。此類新型熱處理工藝制備出的硫摻雜石墨烯具有較大的層間距（~0.4 nm）、更高的無序度、和較大的比表面積（308 m2 g?1）。作為負極材料在電流密度100 mA g?1下循環300次后還保持380 mAh g?1 的比容量。即使在2.0 A g?1 大電流密度下充放電，循環1000次還保持263 mAh g?1 的比容量。此研究提供了制備碳基鈉離子電池負極材料的新策略。
展開 來源 | 上海硅酸鹽研究所 Chem
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員劉建軍團隊與華中科技大學教授黃云輝團隊通過合作研究，設計有機共軛分子的三維折扇排列與過渡金屬離子配位構建納米金屬有機框架（MOF）材料苝四甲酸鋅(Zn-PTCA)，首次突破共軛碳環儲鈉的電化學活化，極大地提高了電極材料的儲鈉容量，為進一步設計新型高比容量電極材料提供新思路。相關研究成果在Chem雜志發表。
文章鏈接：
https://www.cell.com/chem/pdf/S2451-9294(18)30367-X.pdf
具有三維孔道結構的MOF納米材料主要通過過渡金屬離子（或者納米團簇）與有機配體自組裝而成，因具有孔道結構易調控、比表面積高和表面官能團豐富等特點在氣體吸附與分離、納米催化等方面有廣泛應用。然而由于比容量有限，在電化學儲能材料應用方面受到極大限制。以鈉離子電池材料為例，鈉離子電池中金屬有機電極材料的儲鈉位點主要集中在表面豐富的官能團（C=O、C≡N），可通過官能團和結構骨架共軛環內的單雙鍵重排機制實現電子穩定存儲。
但由于半徑較大的鈉離子很難嵌入MOF材料有機共軛骨架的層間，以及鈉離子嵌入層間對層間范德華力的破壞且與共軛碳環間較弱的作用力等原因導致鈉離子很難儲存在有機結構骨架共軛碳環（sp2-C）中，進而導致MOF材料的可逆比容量較低。因此，活化共軛碳環儲鈉的電化學活性，對提高電極材料存儲容量至關重要，但具有較大挑戰性。
展開 論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c04035
由于化石燃料的不斷利用造成了環境污染，因此有必要尋求諸如可充電電池等環境友好型儲能系統。雖然鋰離子電池（LIBs）是目前主要的電化儲能系統，但鋰的原料豐富度（0.0065%）遠低于鈉的豐富度（2.3%），因此，鈉離子電池（SIBs）也是很有吸引力的替代品。研究人員研究了許多鈉離子電池正極材料，如過渡金屬氧化物、磷酸鹽、硫酸鹽、焦磷酸鹽，其中聚陰離子正極材料結構穩定，充放電時體積變化小。橄欖石NaFePO4作為鋰離子電池正極材料LiFePO4的類似物，具有較高的放電比容量和良好的循環性能，但傳統方法不能直接制備。
非晶態NaFePO4正極材料具有良好的放電比容量，然而，它具有倍率性能差、工作電壓低等缺點。與橄欖石NaFePO4相比，通過機械球磨方法可以直接制備出多晶型的NaFePO4，但其晶體結構缺乏Na+擴散途徑，不具有電化學活性，另一方面，Na2FeP2O7材料具有較高的電壓平臺，但其電化學反應涉及單電子遷移過程，導致其理論容量相對較低，從而縮小了該材料的應用范圍。
因此，作者采用一種簡便的噴霧干燥方法合成了具有空心球微結構的碳包覆Na4Fe3(PO4)2(P2O7)（NFPP/C）粉末。本項工作中作者使用廉價的葡萄糖作為碳源，降低了合成NFPP/C的成本。所獲得的樣品具有良好的循環穩定性，在10C下1500周循環后仍有92%的初始容量，優化后的樣品在高溫下仍具有優異的電化學性能。此外，通過將這種NFPP/C正極與硬質碳負極結合組裝成鈉離子全電池，其能量密度高達108 Wh kg?1。另外，作者發現NFPP/HC在充放電過程中體積變化較小。
展開 【引言】
鈉離子電池憑借資源和價格優勢在大規模儲能領域具有重要應用前景。然而，鈉離子較大的半徑和質量不利于它與電極材料的可逆反應。開發能夠快速、穩定存儲鈉離子的高比能電極材料是提升鈉離子電池性能的關鍵之一。在目前已知的正極儲鈉材料中，鐵基磷酸鹽由于成本低廉、環境友好引起廣泛關注。其中，NaFePO4因理論比容量高（154 mAh g-1）和工作電位適宜脫穎而出。鑒于橄欖石結構LiFePO4在鋰離子電池中取得的巨大成功，橄欖石型NaFePO4已經被廣泛嘗試用作鈉離子電池正極材料。然而，橄欖石型NaFePO4并非熱力學穩定相，往往需要通過復雜的離子交換過程從橄欖石結構LiFePO4制得，限制其實際應用。相比而言，熱力學穩定相磷鐵鈉礦NaFePO4由于缺乏鈉離子傳輸通道通常被認為不具有電化學活性。此外，NaFePO4較低的本征電導率和脫/嵌鈉過程中較大的晶格差異影響其倍率性能和循環穩定性，有待改善。
【成果簡介】
近日，北京科技大學范麗珍教授（通訊作者）與劉永暢副教授（第一作者）團隊在材料領域國際權威期刊—Advanced Functional Materials (IF=12)上在線發表了題為“Approaching the Downsizing Limit of Maricite NaFePO4 toward High-Performance Cathode for Sodium-Ion Batteries”的文章。利用靜電紡絲技術將平均尺寸僅1.6 nm的超小磷鐵鈉礦NaFePO4納米粒子均勻鑲嵌入多孔氮摻雜的碳納米纖維。制得的NaFePO4@C纖維膜緊貼于鋁箔，可直接用作鈉離子電池正極。
展開 【引言】
鋰離子電池（LIBs）是最成功的清潔和高效能量存儲設備之一，被廣泛用于各種便攜式電子設備。然而，鋰在地球上的儲存量相當有限。按目前每年21280噸的消耗率，現有的鋰源只能維持約65年。鈉是地殼中第四豐富的金屬元素，為開發鈉離子電池（SIBs）提供了大量的鈉源。鈉與鋰具有相似的電化學性質，這意味著LIBs中的一些成熟技術可以遷移到SIBs。此外，SIBs的安全性遠優于LIBs。因此，SIBs成為能源儲存設備的最佳候選者之一。然而，SIBs仍處于最初的發展階段，面臨許多問題。現有陽極材料性能已成為制約SIBs性能提高的主要障礙。已報道用于SIBs的各種改進的C基陽極材料（例如膨脹石墨，硬碳，嵌入碳中的錫納米顆粒和分層多孔碳/石墨烯復合材料）。但是，它們的比容量遠遠不能令人滿意。盡管IV族和V族元素材料（如Ge，Sn，Pb和Sb）的比容量有所提高，但它們的倍率能力極大地限制了SIBs的性能。因此，對于SIBs來說，開發合適的鈉離子電池陽極材料變得相當緊迫。
【成果簡介】
近日，東北師范大學物理學院楊國春教授團隊通過第一性原理的群體智能結構計算發現理想的陽極材料，即金屬TiC3單層，不僅具有1278 mA h g-1的高存儲容量，而且具有低勢壘能量和開路電壓。TiC3吸附兩層Na原子后仍保持金屬性質，使電池循環過程中具有良好的導電性。此外，高熔點和優越的動力學穩定性有利于實際應用。其優異的性能主要歸因于TiC3單層中存在n-聯苯單元。多鍵共存（例如共價鍵，離子鍵和金屬鍵）使得TiC3單層顯示出高內聚能，這為實驗合成提供可行性。與TiC3相比，官能化的TiC3O顯示更高的存儲容量; 同時，它保持幾乎相同的勢壘。這與富含金屬的MXenes形成鮮明對比。TiC3不僅顯示出優異的熱和動態穩定性，而且顯示出高電子和離子電導率。
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鈉離子電池材料的最新內容
[圖片]
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
隨著社會向低碳經濟轉型，未來幾十年電池行業可能會出現數量級的增長。電池的生產用途廣泛，每種用途都有特定的電力需求，從電力電子設備、啟動電池設備到各種儲能設備。由于其卓越的能量密度、較長的循環壽命和較低的自放電率，鋰離子電池已成為儲能技術的首選。然而，鋰離子電池的效率
因此，對鈉離子電池電極材料的預鈉化成為上述問題的一種重要解決手段。
負極預鈉化
負極預鈉化按照預鈉化方法的原理不同可分為物理預鈉化、電化學預鈉化和化學反應預鈉化。
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
隨著工業的發展，節能減排的要求越來越高。在所有可能的探索中，熱能存儲（TES）為緩解能源供需失衡提供了一種充分且便捷的方式。因此，TES越來越受到人們的關注。相變材料 (PCM) 是 TES 的重要候選材料，因為它在相變過程中具有高潛熱和窄的溫度波動
來源 |
Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池在電壓、能量密度、自放電率和循環壽命方面與其他儲能電池相比具有不可替代的地位，廣泛應用于電動汽車和儲能系統中。隨著電池材料和結構的發展，鋰離子電池的能量密度也在不斷提高。隨著電池能量密度的不斷提高，對電池的熱安全性提出了更高的要求
全固態電池有望在未來十年內實現商業化量產，為發現更多可能，汽車動力電池研發的重心也開始轉向探索新材料。因此，不論是固體電解質還是其他相關材料的探索，工程師們對材料模擬平臺越來越依賴。
本文將介紹鋰離子電池的組成部分中的陽極、陰極、電解質材料的測評與仿真研究實例。
一、 陽極分析
眾所周知，吉野彰博士在鋰離子電池的商業化應用中做出了重大貢獻，他采用碳材料代替金屬鋰作為鋰電池的負極
而且，鈉離子電池的正極材料、集流體材料的理論 成本比鋰電更低，在完成產業化降本之后，其初始投資成本有望較鋰電更低。劣勢：在電池性能上，由原理所決定的，鈉離子電池的循環壽命和儲能效率低于 鋰離子電池。鈉離子電池循環壽命提升速度較快，2018 年商業化初期鈉離子電 池循環壽命在 2000 次左右，2020 年底胡勇勝研究團隊研究出了循環壽命達到 4500 次的鈉離子電池。
鉛酸電池、鋰離子電池和鈉離子電池性能對比
相關研究表明，綜合正極材料、負極材料和集流體幾個方面，鈉離子電池材料成本約370元/kWh，而且隨著產業鏈成熟，材料成本有望進一步下探，結合結構件、電氣件成本，初始容量投資有望控制在500-700元/kWh；性能方面，隨著研發持續投入和技術迭代，電池循環壽命有望突破8000次以上。
如鈉離子電池負極材料Na2C6H2O4在首周放電過程中嵌入兩個Na，生成Na4C6H2O4，而在首周放電過程中，兩個Na并不同時脫出，其首先脫出1個Na，生成Na3C6H2O4，隨后再脫出第2個Na，生成Na2C6H2O4，如文中圖8所示。
鈉離子電池原材料儲量豐富，生產效率快，性能與市場上鋰離子電池沒有明顯差異，可以有效降低動力電池生產成本。寧德時代在2021年7月29日發布鈉離子電池，相較于鋰離子電池，鈉離子電池具有更低的成本而且在儲運方面具有巨大優勢。鈉離子電池在原理與結構上與鋰離子電池十分相似，僅在材料的選擇上存在差異，鈉離子電池生產線可以沿用鋰離子電池生產線。
