鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1337次 | 2021年12月16日
鈉離子電池比鋰電池成本更低 如何提高鈉離子電池的性能？
隨著世界意識到迫在眉睫的環(huán)境危機(jī)，科學(xué)家已經(jīng)開始尋找可持續(xù)的能源?？?a href="/keywords/cddc/" class = "seo-anchor" data-anchorid=150 target="_blank">充電電池（如鋰離子電池）正迅速普及，同時衍生各種“綠色”技術(shù)，例如電動推進(jìn)船（正在開發(fā)以滿足國際海事組織的環(huán)境法規(guī)）和其他電動車輛。但是，鋰是稀有且難以分配的，這使鋰的可持續(xù)性受到質(zhì)疑，同時也存在成本急劇上升的風(fēng)險。
因此，研究人員轉(zhuǎn)向鈉離子電池（SIB），它們在電化學(xué)上類似于鋰離子電池，并具有鈉含量更高，生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前，SIB中的標(biāo)準(zhǔn)陽極材料是石墨，石墨在鈉離子的作用下是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，會導(dǎo)致可逆容量降低（衡量其存儲能力）且性能不佳。
為此，韓國海事和海洋大學(xué)的研究人員著手尋找一種適用于SIB的非石墨陽極材料。首席科學(xué)家JunKang博士說：“由于SIB的性能低下-僅是鋰離子電池容量的1/10-因此，找到一種能保持石墨的低成本和穩(wěn)定性的高效陽極至關(guān)重要?！?/p>
現(xiàn)在，在發(fā)表于《動力源》雜志上的最新研究中，科學(xué)家們報告了以下策略，以克服SIB的碳基負(fù)極材料的局限性：（1）采用能夠促進(jìn)從主體中快速Na+轉(zhuǎn)運(yùn)的分層多孔結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)到活性材料界面的區(qū)域；（2）保留較大的比表面積，使Na+遷移至界面，在活性物質(zhì)中可以輕松接近該比表面積；（3）保留能夠從表面到內(nèi)部共嵌入的表面缺陷和孔結(jié)構(gòu)；（4）從可能具有短擴(kuò)散路徑的缺陷和孔中保留插入到活性材料中的Na+中的納米結(jié)構(gòu)；（5）由于這些元素通過異質(zhì)元素?fù)诫s產(chǎn)生的外在缺陷而增加了活性位點(diǎn)的數(shù)量。這些策略導(dǎo)致電池的電化學(xué)性能得到顯著改善，甚至超過了當(dāng)前的鋰離子電池！
在他們之前的兩項(xiàng)研究中，他們使用磷和硫成功地測試了該方法，這兩種方法分別在Carbon和ACSAppliedMaterials＆Interfaces的封面上有介紹。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
康博士對他們技術(shù)的各種潛在應(yīng)用持樂觀態(tài)度，例如在電力推進(jìn)船和其他車輛，無人機(jī)甚至高性能CPU中。他說：“這五個因素提供了良好的容量保持能力，可逆容量，超高循環(huán)穩(wěn)定性，高初始庫倫效率（80％）和出色的倍率能力。這意味著即使在電池使用量很大的情況下，它們也可以長時間使用?！?/p>
考慮到鈉比鋰的優(yōu)勢，這些發(fā)現(xiàn)對于可持續(xù)，廉價，高性能電池的工程設(shè)計無疑具有重要意義，并且可以使我們更接近實(shí)現(xiàn)節(jié)能的未來。
關(guān)于鈉離子電池的其他研究
目前，鈉離子電池的性能比鋰離子電池的性能落后約20年。幾十年來，研究一直集中在更強(qiáng)大的鋰上。
但是現(xiàn)在，不僅有開創(chuàng)性的科學(xué)出版物，而且還有非常有希望的原型。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
根據(jù)2020年5月的一份出版物，韓國的鈉離子電池在容量下降到80％之前設(shè)法處理了大約500個完整的充電周期。
美國-中國研究小組設(shè)計的化學(xué)結(jié)構(gòu)稍有不同的電池可 實(shí)現(xiàn)450次充電循環(huán)，充電容量相似。中國的鈉離子電池的容量略低，但經(jīng)過1200次快速的12分鐘充電循環(huán)后仍保留了其容量的70％。
所有這些聽起來似乎并不多，但實(shí)際上，這些電池可能會經(jīng)受住更多的充電循環(huán)，因?yàn)樵谌粘Ｉ钪校姵赝鶅H會部分充電和放電。實(shí)驗(yàn)中電池的完全裝卸會給電池帶來更大的壓力。
此外，鈉離子技術(shù)不會消耗任何稀缺資源。陰極的生產(chǎn)不需要稀有的鋰鹽。簡單的食鹽就足夠了。強(qiáng)大的陽極可以由褐煤，木材和其他生物質(zhì)生產(chǎn)。也不需要鈷或類似的稀有物質(zhì)。
但是，鈉有兩個缺點(diǎn)。例如，它的重量是鋰的三倍，因此鈉離子電池也更重，即使鋰的重量不到電池總重量的5％。
另外，鈉電池的功能較弱，因?yàn)橛捎陔姵仉妷航档?.3伏，鈉電池不可避免地會損失大約10％的能量密度。這主要是由于迄今為止電池中使用的石墨陽極吸收的鈉太少的事實(shí)。
但是納米碳可以提供一種補(bǔ)救措施。由德累斯頓-羅斯森多夫（HelzholtzCenterDresden-Rossendorf）（HZDR）領(lǐng)導(dǎo)的德國-俄羅斯工作組的研究表明了這一點(diǎn)。研究表明，到目前為止，石墨烯的雙層（即薄晶圓碳）可以在陽極中存儲比目前使用的石墨多得多的鈉原子。
如果將石墨烯電極而不是當(dāng)今常用的石墨陽極結(jié)合到鋰電池中，則有可能實(shí)現(xiàn)更高的存儲容量。
HZDR物理學(xué)家ArkadyKrasheninnikov博士解釋說：“這就像在兩張紙之間放小球一樣。如果您將越來越多的球塞進(jìn)去，則紙張會被推開，從而在它們之間留出更多的空間?！?/p>
可能的新動力
如果多層存儲適用于鋰，那么它也可以適用于其他堿金屬（例如鈉）嗎？
德累斯頓，斯圖加特和莫斯科的研究小組使用復(fù)雜的超級計算機(jī)模擬研究了這個問題。他們的計算表明，鈉和鋰一樣，不僅可以單層沉積在石墨烯片之間，而且可以一層一層沉積在另一層之上。
因此，如果將來將石墨烯電極安裝在鈉離子電池中，而不是今天通常使用的石墨陽極，那么也有可能實(shí)現(xiàn)更高的存儲容量。
這些結(jié)果可能是開發(fā)低成本鈉電池負(fù)極的突破。Krasheninnikov強(qiáng)調(diào)說：“我們的工作純粹是理論性的，我們不主張?jiān)诳深A(yù)見的將來根據(jù)我們的結(jié)果開發(fā)新一代電池。但是也許我們的發(fā)現(xiàn)會給工程師一些新的有趣的想法。”
未來的電池
因此，幸運(yùn)的是，鈉離子電池不再只是一個理論概念。似乎迫在眉睫的突破將使它們成為現(xiàn)實(shí)。
最新的研究結(jié)果表明，昂貴的鋰離子電池已經(jīng)有了切實(shí)可行，價格合理且節(jié)省資源的替代品，并且多層存儲可以顯著提高其性能。
鈉離子電池要達(dá)到技術(shù)成熟階段并可以大量生產(chǎn)并安裝在電動汽車或移動電話中，肯定要花一些時間。但是，一旦發(fā)生這種情況，由于涉及的技術(shù)非常相似，從鋰離子電池到鈉離子電池的轉(zhuǎn)換應(yīng)該基本上沒有問題。
研究人員找到提高鈉離子電池性能的方法
日本名古屋工業(yè)大學(xué)（NITech）的研究人員已經(jīng)證明，一種特殊的材料可以作為鈉離子電池的有效電池組件，與鋰離子電池競爭某些電池特性，尤其是充電速度。
流行的鋰離子電池有幾個好處-它們可充電并且具有廣泛的應(yīng)用范圍。它們用于筆記本電腦和手機(jī)等設(shè)備以及混合動力和全電動汽車。電動汽車是解決農(nóng)村地區(qū)污染以及提供清潔和可持續(xù)交通運(yùn)輸?shù)闹匾夹g(shù)，是解決能源和環(huán)境危機(jī)的重要力量。鋰的缺點(diǎn)之一是它的資源有限。它不僅價格昂貴，而且其年產(chǎn)量受到（技術(shù)上）限制（由于干燥過程）。鑒于對電池供電的設(shè)備（尤其是電動汽車）的需求不斷增長，迫切需要找到一種既便宜又豐富的鋰替代品。
由于多種原因，鈉離子電池是鋰基離子電池的有吸引力的替代品。鈉不是一種有限的資源-地殼和海水中都含有豐富的鈉。同樣，基于適當(dāng)?shù)木w結(jié)構(gòu)設(shè)計，鈉基成分有可能產(chǎn)生更快的充電時間。但是，鈉不能簡單地與當(dāng)前電池材料中使用的鋰交換，因?yàn)殁c離子尺寸較大且化學(xué)性質(zhì)略有不同。因此，要求研究人員通過試錯法在眾多候選人中找到用于鈉離子電池的最佳材料。
NITech的科學(xué)家找到了解決此問題的合理有效的方法。從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中提取了約4300種化合物并進(jìn)行了高通量計算后，其中一種化合物產(chǎn)生了令人滿意的結(jié)果，因此有望用作鈉離子電池組件。研究人員確定，Na2V3O7具有令人滿意的電化學(xué)性能以及晶體和電子結(jié)構(gòu)。該化合物具有快速充電性能，因?yàn)樗梢栽?分鐘內(nèi)穩(wěn)定充電。此外，研究人員證明該化合物可延長電池壽命，并縮短充電時間。
“我們的目標(biāo)是解決大型電池在電動汽車等應(yīng)用中面臨的最大障礙，這些應(yīng)用嚴(yán)重依賴長的充電時間。我們通過搜索解決了這個問題，這種搜索將產(chǎn)生足夠有效的材料以提高電池的倍率性能?！?/p>
研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管Na2V3O7具有良好的特性和對鈉離子電池的總體預(yù)期影響，但它們在最后的充電階段卻經(jīng)歷了劣化，這將實(shí)際存儲容量限制為理論容量的一半。因此，在未來的實(shí)驗(yàn)中，研究人員旨在專注于改善這種材料的性能，以使其在充電階段的整個過程中保持穩(wěn)定。Tanibata博士補(bǔ)充說：“我們的最終目標(biāo)是建立一種方法，使我們能夠通過計算和實(shí)驗(yàn)方法的組合來有效地設(shè)計電池材料?！?/p>
