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钠离子电池
近年来,随着电子设备、电动工具、小功率电动汽车等迅猛发展,
研究高能效、资源丰富及环境友好的储能材料是人类社会实现可持续
性发展的必要条件。为满足规模庞大的市场需求,仅依靠能量密度、
充放电倍率等性能衡量电池材料是远远不够的。电池的制造成本与能
耗是否对环境造成污染以及资源的回收利用率也将成为评价电池材
料的重要指标。电池发展有以下显著特点:绿色环保电池发展迅猛;一
次电池向二次电池转化,这有利于节约地球有限的资源,符合可持续发
展的战略;电池进一步向小、轻、薄方向发展。
钠是地球上储量较丰富的元素之一,与锂的化学性能类似,因此也
可能适用于锂离子电池体系。钠离子电池相比锂离子电池有诸多优势,
如成本低,安全性好,随着研究的深入,钠离子电池将越来越具有成本
效益,并有望在未来取代锂离子电池而被广泛应用。
1钠离子电池电化学原理
同为元素周期表第I主族的钠离子和锂离子的性质有许多相似之
处,钠离子完全有可能和锂离子电池一样构造一种广泛使用的二次电
池。并且钠离子电池与锂离子电池相比,原材料成本比锂离子电池低,
半电池电位E0=E0+0.3比锂离子电池高,适合采用分解电压
Na+/NaLi+/Li
更低的电解液,因而安全性能更佳。钠离子电池不以钠作为负极,而是
由硬碳或嵌入化合物组成。
1/9
〔1钠离子电池优点:依据目前的研究进展,钠离子电池与锂离子
电池相比有3个突出优势:①原料资源丰富,成本低廉,分布广泛;②
钠离子电池的半电池电势较锂离子电势高0.3~0.4V,即能利用分解
电势更低的电解质溶剂及电解质盐,电解质的选择范围更宽;③钠离
子电池有相对稳定的电化学性能,使用更加安全。
〔2钠离子电池缺陷:钠离子电池也存在着缺陷,如钠元素的相对
原子质量比锂高很多,导致理论比容量小,不足锂的1/2;钠离子半径
比锂离子半径大Na+半径:95pm,Li+半径:60pm,使得钠离子在电
池材料中嵌入与脱出更难。下图为钠离子电池的电极材料:
2钠离子电池正极材料
用于钠离子电池正极的材料主要有贫钠的NaCoO、NaMnO
x2x2
层状晶体化合物及它们的掺杂化合物。这些化合物的存在形态取决于
其组成x值和制备方法。其它一些见诸报道的嵌入式正极材料
2/9
有:NaxTiS2,NaxNbS2Cl2,NaxWO3-y,NaxV0.5Cr0.5S,NaxMoS3非定
形,NaxTaS2,各式中0x2,0y1。
2.1五氧化二钒VO
25
五氧化二钒VO是阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究小组
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开发的一种可用于充电钠离子电池的正极材料。这种双层五氧化二钒
VO材料可用于室温下,具有250mAh/g的比容量,接近理论比容量,
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倍率放电能力和循环寿命优良,电池的比能量和比功率高达760Wh/kg
和1200W/kg。用双层VO材料作钠离子电池正极的充放电反应机理
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如图所示,电化学反应改变了五氧化二钒层的静电吸引力,可为钠离子
+
Na提供强大的迁移动力;钠离子嵌入到VO的过程如图所示。
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由图上可以看出,钠离子的嵌入可导致钒的整体结构有序化,同时
层间长程有序。钠脱出后,这种长程有序也消失,而层内结构仍保存着。
这个研究小组的方法是,要使钠离子嵌入,就要使用纳米材料,这
种材料具有双层层状结构,可调层间距,能适应很大的体积变化。非原
位和原位同步特性研究表明,钠离子的嵌入可导致钒的整体结构
有序化,同时层间长程有序。钠脱出后,这种长程有序
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