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開發鈉離子電池的原因是什么

鉅大LARGE  |  點擊量:1380次  |  2020年09月22日  

關于鈉離子電池我們關注的焦點,一個是成本要低,正極材料要去鋰脫鈷,不用鋰離子,也不用成本較高的鈷原料;第二是在電動汽車和儲能方面都要求電池壽命要長;第三是安全性要好;最后是能量密度要比較合適。


鈉離子電池和鋰離子電池的反應機理相近,正極材料除了磷酸鹽或氟化磷酸鹽以外,還可以用鎳錳層狀過渡金屬氧化物。在負極材料方面可選擇碳類、合金和化合物。在三大類負極材料中,我們還是選擇最便宜的碳材料。我們關于負極碳材料又進行了軟碳、硬碳和石墨烯三個分類的研究。


我們最近的一些研究成果,其中一個是采用層狀結構Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作正極材料。經過實驗研究和比較,在制備正極原材料的使用上,我們認為使用醋酸鹽或草酸鹽更好。根據文獻報道,正極材料假如只用鎳錳氧化物,它的循環性能和充電到高電位時的穩定性較差。所以有文獻報道可以用鎂摻雜,替代鎳位,這樣的話期待它的容量可以更高,這種方法關于獲得高能量密度的鈉離子電池是很有幫助的。除了鎂以外,其他摻雜的元素可不可以呢?我們選擇與替代元素離子半徑相近的元素做摻雜,比如替代鎳位,我們選了鋯(Zr)離子和銅(Cu)離子進行摻雜。材料摻雜后與摻雜前電化學性能和循環性能都有提高,Zr摻雜和Cu摻雜相比,Cu摻雜的循環穩定性更好。


負極方面,由于軟碳材料處理的方法比較多,我們嘗試了用磷摻雜軟碳。摻雜磷后放電容量可以提高30%以上,循環特性好。為何摻磷后材料性能提高呢?這是由于摻磷后可以新增鈉吸附的活性點。在傳統的嵌入反應之外,還多了一些鈉離子吸附的活性點位。另外,在硬碳方面,我們選用了椰殼、杏殼等生物質材料,通過處理,最終獲得硬碳材料。通過拉曼分析可以發現,這些材料是短層有序、長層無序的結構,微晶的層間距較大,適合鈉離子嵌入。


通過循環實驗可以看到,經過200次循環,容量基本沒有衰降,循環穩定性很好。由此可見,這些生物質材料是很好的廉價的鈉離子電池負極材料。再有,關于石墨烯負極我們也做了研究。石墨烯材料最大的問題是密度比較低,將來能不能做成高體積比能量的電池還是問題。所以可以考慮將石墨烯和其他負極材料如硬碳、軟碳,以及化合物類或合金類材料進行復合。


我們做了1.5Ah和0.5Ah兩種軟包全電池,正極材料采用前面提到的鎳錳氧化物,負極采用生物質的硬碳材料,經300次循環后容量衰降為15%。由此可見,鈉離子電池用廉價材料是可以制備的,而且電性能良好。


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