開發鈉離子電池的原由有哪些

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適宜。

鈉離子電池和鋰電池的反應機理相似，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。經過試驗研究和比較，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。依據文獻報道，正極材料倘若只用鎳錳氧化物，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，這樣的話期望它的容量可以更高，這種辦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，其他摻雜的元素能不能呢？我們選擇與替代元素離子半徑相似的元素做摻雜，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，由于軟碳材料解決的辦法比較多，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。為甚么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，通過解決，最終獲得硬碳材料。通過拉曼分解可以發現，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。

通過循環試驗可以看到，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，未來可不可以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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