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12 2023 年 08 月
總第 265 期
普魯士藍(lán)類材料具有空曠的晶體結(jié)構(gòu),鈉離子嵌脫高
度可逆,因而理論上可以實現(xiàn)優(yōu)秀的循環(huán)、倍率性能。但
缺點是,材料中的結(jié)晶水會影響材料的各方面性能,因而
對制備條件要求嚴(yán)格。普魯士藍(lán)類材料通過改變金屬元素
種類,可以調(diào)節(jié)材料的電壓、比容量,另外通過調(diào)節(jié)材料
中結(jié)晶水的含量,可以改善循環(huán)、倍率性能。
聚陰離子型材料同樣具有空曠的三維結(jié)構(gòu),理論上也
可以實現(xiàn)很好的性能。但最大的缺點是電子導(dǎo)電性差,必
須通過改性才能應(yīng)用,可通過調(diào)整金屬元素種類、陰離子
種類,提升材料的電壓;通過錳、鐵等元素取代價格高的
金屬元素,降低材料成本。
有機(jī)物正極的種類紛繁,因而有許多有機(jī)物正極可供
選擇。但是,有機(jī)物溶于有機(jī)電解液,這會給電池的穩(wěn)定
運(yùn)行帶來較大的不確定性。因此,這類正極材料仍在研究
和改性中,暫時沒有工廠實踐論證其作為正極材料的可行
性。
鈉電負(fù)極材料方面,王振波介紹,也可分為四種:碳
材料 (成本低,導(dǎo)電性高)、相轉(zhuǎn)化材料(容量高,導(dǎo)電
性差)、鈦基化合物(穩(wěn)定性好,導(dǎo)電性差)、合金化材
料(容量高,穩(wěn)定性差)。
根據(jù)鋰離子電池發(fā)展的經(jīng)驗,碳材料被研究者最為看
好。特別是熱解無煙煤產(chǎn)生的硬碳負(fù)極材料,既具有成本
低的優(yōu)勢,也具有很好的電化學(xué)性質(zhì)。這一高性價比的特
點正好契合了鈉電低成本的發(fā)展理念。
相轉(zhuǎn)變型鈉電負(fù)極成本低,但是不可逆容量大。距離
實際應(yīng)用,仍需要優(yōu)化材料與電解液的兼容性,進(jìn)一步提
升首次效率。
鈦基化合物負(fù)極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具有較高的理論容量。但
缺點是材料的制備過程復(fù)雜,且材料自身存在電子電導(dǎo)差
的問題,因此綜合性能都不如無煙煤衍生的碳負(fù)極。
合金負(fù)極理論容量高,但是工作過程中的體積膨脹容
易造成材料粉化失效,因而性能衰減嚴(yán)重,不利于長期的
電池使用過程。
綜合來看,鈉電負(fù)極最有應(yīng)用前景的負(fù)極材料是無煙
煤熱解得到的碳材料。對于另幾種負(fù)極材料,則需要進(jìn)一
步地補(bǔ)齊短板,特別是提升材料的電子電導(dǎo)和倍率性能。
會上,王振波還提出了鈉離子電池負(fù)極材料的改性
策略:一是形貌調(diào)控。納米化,縮短離子擴(kuò)散路徑;陣列
化,提供直接快速的離子傳輸通道;二是包覆或摻雜改
性。摻雜碳、石墨烯、金屬等導(dǎo)電性良好的物質(zhì)進(jìn)行改
性;缺陷摻雜改性;三是晶格調(diào)控與組分優(yōu)化。優(yōu)化材料
內(nèi)部結(jié)構(gòu),復(fù)合功能材料,發(fā)揮1+1>2的協(xié)同作用。
鈉電電解液方面,目前,多數(shù)研究者們傾向于使用有
機(jī)電解質(zhì)。這是因為有機(jī)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口更寬,
可達(dá)到4伏。因而,使用有機(jī)電解質(zhì)更可能實現(xiàn)更高的能
量密度。目前,研究者多使用碳酸酯類的有機(jī)電解液。
王振波提出,通過調(diào)節(jié)電解液的組分、比例,可以
影響電解液的溶劑化結(jié)構(gòu),進(jìn)而形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界
面,從而提升電池的各方面性能。其中,SEI膜-電極的關(guān)
系近似固-固界面,通過調(diào)節(jié)電解液組分(鹽、溶劑、添
加劑)以調(diào)節(jié)SEI膜可以優(yōu)化電池性能。電解液的組成會
改變電解液的溶劑化結(jié)構(gòu),從而影響界面的去/溶劑化行
為。離子-溶劑化結(jié)構(gòu)與界面行為能顯著影響電池性能。
調(diào)節(jié)電解液體相溶劑化結(jié)構(gòu),改善去/溶劑化行為的動力學(xué)
已成為研究熱點。
此外,相對于鋰電,人們發(fā)現(xiàn)醚類電解質(zhì)在鈉離子電
池中更耐高壓,形成的固態(tài)電解質(zhì)界面相也具有更好的界
面穩(wěn)定性和界面離子傳輸動力學(xué)。缺點則是醚類電解質(zhì)的
成本較高。因而,如果能降低電解質(zhì)成本的話,醚類電解
質(zhì)的應(yīng)用將有利于進(jìn)一步提升鈉電的性能優(yōu)勢。
鈉電池發(fā)展前景:適逢機(jī)遇 勢在必行
“前面我們談到的,都是如何選擇優(yōu)化電池材料。而
實際上,電池是作為整體存在的。因此,匹配好正負(fù)極和
電解質(zhì),是實現(xiàn)優(yōu)秀的鈉離子電池體系的另一重點。據(jù)報
道,合理的電池設(shè)計已經(jīng)能使得鈉離子全電池循環(huán)5000次
以上,已經(jīng)達(dá)到電池的商用標(biāo)準(zhǔn)?!蓖跽癫ǚ治龇Q,“在
寬溫域上,鈉離子電池未來想要發(fā)展要克服它自身的先天
不足,拿自己的短板沒法和別人的長處去比,所以要把自
己的內(nèi)功做好,低溫性能、寬溫域做好就可以和鋰電比拼
了,另外它的倍率性能也是不錯的,充電時間短就可以占
領(lǐng)更多的市場。”
為了提升鈉電在不同工況下的可靠性,對標(biāo)鋰電池、
鉛酸電池等優(yōu)秀電池體系,王振波建議,需盡可能地拓
寬鈉電的工作溫度范圍,提升其在儲能領(lǐng)域的競爭力。同
時,考慮到鈉離子電池可能應(yīng)用在中低速電動車上。十分
有必要考慮到電池快充、以及續(xù)航歷程的問題。
為了獲得寬溫域、高功率的鈉電體系,王振波及其團(tuán)
隊提出了相關(guān)技術(shù)路線:先研究材料,后優(yōu)化電極/電解質(zhì)