從正極到固體電解質

鈉離子充電電池的發(fā)表數(shù)量激增至3倍是有原因的。那就是，最近數(shù)年鈉離子充電電池的特性得到大幅提高（圖3）。此前采用鈉離子的充電電池只有日本礙子（NGK）已經(jīng)商用化的鈉硫（NAS）電池以及瑞士MES-DEA公司的鈉鎳氯化物充電電池。不過，這些電池組合使用了熔解鈉和陶瓷固體電解質，因此需要300℃的工作溫度。

圖3：鈉離子充電電池的研究開發(fā)日益活躍

鈉離子充電電池可在常溫下穩(wěn)定工作，因此探索高容量材料的研究開發(fā)日益活躍。

可用于鈉離子充電電池的正極材料、負極材料及電解液的候補材料等從2005年前后開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)具備可在常溫下實現(xiàn)毫不遜色于鋰離子充電電池容量的實力。

2005年，九州大學的研發(fā)小組宣布，通過在正極材料中采用α-NaFeO2，能實現(xiàn)可逆性鈉離子的脫/嵌，鈉的平均電壓高達3.3V，由此開始受到關注。

可利用硬碳

更具有沖擊力的是，負極材料通過采用硬碳也能實現(xiàn)鈉離子的嵌入。此前一直作為鋰離子充電電池主流負極材料的石墨無法進行鈉離子嵌入。

另外，2009年春，東京理科大學駒場研究室發(fā)現(xiàn)了可用于硬碳負極而且充放電循環(huán)特性出色的電解液和添加劑，研究取得了大幅進展。

具體而言，研究了碳酸乙烯酯（EC）、碳酸亞丙酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）及碳酸二乙酯（DEC）等鋰離子充電電池常用的碳酸酯類溶劑。發(fā)現(xiàn)在PC和EC:DEC的混合溶液中，能以200mAh/g以上的高容量實現(xiàn)100次以上的循環(huán)壽命（圖4）。

圖4：通過改變電解液提高充放電循環(huán)特性

東京理科大學通過將PC和EC：DEC用于電解液，實現(xiàn)了充放電循環(huán)特性出色的鈉離子充電電池，并于2009年春進行了相關發(fā)表（a）。如果是鋰離子充電電池利用的EC：DMC的話，電解液立即就會劣化（b）。