科學家發現鈉離子電池陽極的儲能機制

來自斯科爾科沃科學和技術學院(Skoltech)和莫斯科國立大學(MSU)的科學家們確定了與鈉離子電池(SIB)陽極材料中的電荷存儲相關的電化學反應類型，這是一類很有前途的新型電化學電源。他們的研究結果以及該團隊開發的陽極制造辦法將有助于使SIB在俄羅斯及其他地區的商業化進程更加接近。該研究發表在《ElectrochimicaActa》上。

如今，鋰電池(LIB)是最受歡迎的電化學電源，被廣泛使用于從手機(幾瓦時)到發電廠的緩沖系統(數百萬瓦時)的各種范疇。對鋰電池的需求和存儲設備的均勻尺寸都在不斷上升，然而這種上升趨勢卻遇到了多重障礙，如鋰鹽的高成本、全球鋰儲量有限以及各國含鋰礦床分布不均等。為了克服這些障礙，包括俄羅斯在內的全球科學家都在研究SIB，這種替代技術可能會挑戰LIB和廣泛使用的鉛酸蓄電池。

鈉是地殼中第六大常見元素。與鋰相比，其鹽類的價格要便宜100倍左右。雖然在化學性質上與鋰相近，但鈉還有其他的差別，這就要在SIB設計中采用新的辦法。電池由三個緊要部分組成：陰極、陽極和電解質。陰極或電解質的成分和結構有廣泛的多樣性，而陽極依然是一個絆腳石。成功用于LIB的石墨不能用于SIB，因為碳六邊形和鈉陽離子的尺寸相差太大，無法供應夾層。硬碳仿佛是唯一可以真正用于陽極的材料。由扭曲的石墨狀層的不規矩排列形成的硬碳表現出與LIB中的石墨相當的鈉離子存儲性能，然而依然不清楚為甚么以及要怎么樣發生這種情況。

quot有關鈉要怎么樣被引入硬碳中，有幾種假說。在我們的研究中，我們驗證并略微擴展了其中的一個假設。我們發現，硬碳表現出夾層型行為，以積累大部分電荷，這是個好消息。夾層正是電池所要的，而與quot假電容quot相關的表面過程則是超級電容器的責任，它在化學電源中形成了一個非常狹窄的發展空間。有趣的是，我們的日本同事，也是我們的緊要研究者和MSU博士生的研究導師ZoyaBobyleva一開始就持有完全不同的觀點。他是世界上SIB和硬碳范疇的頂級專家之一，我們很難說服他我們是對的，但我們做到了!quotSkoltech能源科技中心(CEST)和MSU的項目負責人和高級研究科學家OlegDrozhzhin說。

去年，諾貝爾化學獎授予了三位quot開發鋰電池quot的科學家。其中一位獲獎者要歸功于硬碳，這種負極材料在約莫三十年前給鋰電池技術帶來了生命，后來被石墨取代。今朝，硬碳可以再次催生一項新技術。

quot這項工作非常了不起，不僅展示了硬碳在鈉離子體系中的工作原理，而且找到了一種辦法，可以加工出與LIB中石墨容量相當的超過300mAh/g的硬碳。創建和優化一種新的辦法要付出很多艱巨的努力，而這些努力通常都停留在幕后，幾乎沒有在科學論文中報道過，所以對我們來說，展示最終的成果很緊要：我們成功地制造出了好的SIB陽極材料，我們知道它們是要怎么樣工作的。quotMSU化學學院電化學系主任、Skoltech教授EvgenyAntipov評論道。

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