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浙大教授预测储钠最佳结构,并成功制备该结构储钠材料  [复制链接]

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大家都知道锂离子电池在目前应用的状况下,很难实现突破性进展,且锂资源的储量与日益增长的电池需求之间也有着一定的差距,所以钠离子电池成为了新电池的首选。然而,锂离子电池的负极并不能在钠离子电池中提供同样的性能。那么,如何实现高性能钠离子电池负极?


针对该问题,DeepTech 联系到浙江大学材料科学与工程学院求是特聘教授、博士生导师 —— 涂江平教授。涂江平也是浙江省电池新材料与应用技术研究重点实验室主任。围绕他及其团队近期的研究成果与行业现状,涂江平与 DeepTech 进行了深度对话。



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3 天前 09:58

图 | 掺杂碳材料的存储示意图(来源:Toc 图)


“最近的研究表明,无定形碳是一个合适的负极,因为它的缺陷点可以作为钠离子储存的位点。掺杂的非晶碳,特别是富电子元素掺杂的非晶碳,是一个很好的储钠负极。” 涂江平介绍称。其团队与来自宁波大学和东莞理工大学的研究人员,描述了如何应用原子尺度的基本物理概念来构建钠离子电池的高性能阳极。


本次研究完善了碳材料储钠的机制,阐明了无定形材料的储钠机制,为碳基钠离子电池负极的构建提供了理论指导和实践依据。研究结果以题为《富电子元素掺杂非晶碳的储钠行为》(Sodium-storage behavior of electron-rich element-doped amorphous carbon)的论文发表在《应用物理评论》 (Applied Physics Reviews) 上。


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图 | 论文《富电子元素掺杂非晶碳的储钠行为》(来源:AIP)


“钠” 年正盛



涂江平首先介绍了钠离子电池的行业背景。


未来,锂离子电池存在着资源储量不足等隐患。虽然我国锂矿资源丰富,但开发难度大、成本高,供应能力较弱,所以我国也是全球锂资源第一进口国:80% 的锂资源供应依赖进口。另一方面,在全球范围内,锂矿分布也是区域高度集中。就储量而言,全球近 70%的储量都分布在南美洲的 “锂三角” 地区,包括智利、玻利维亚和阿根廷三国。就资源量而言,全球 59%的资源量集中在 “锂三角” 国家。彭博社新能源财经(Bloomberg New Energy Finance)的一项分析预测,未来对锂的需求会激增,到 2030 年将增加 1500 倍。再加上锂只在少数几个国家开采,这可能导致锂价格飙升。从长远考虑,积极寻找锂电池的可替代品非常有必要。


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图 | (a) 氮锂资源可用性和地缘战略影响分布图 (来源:https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.11.023


与锂离子电池相比,钠离子电池具有的最大优势是钠盐原材料储量丰富。钠是地球上第四丰富的元素,地壳含量高(钠资源在地壳中的分布为 23600 ppm, 比锂资源(锂为 20 ppm)高 1000 倍),且钠资源分布均匀,海水中的钠也是天然的钠源宝库。另一个优势是成本低,包括可采用低浓度电解液(同样浓度电解液,钠盐电导率高于锂电解液)、铝集流体(钠离子不与铝形成合金,负极可采用铝箔作为集流体,双铝集流体不存在过放问题)等,且钠资源的开采费用仅为锂的百分之一。


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3 天前 09:59
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3 天前 09:58

图 | 锂与钠的电子排布示意(来源:百度百科)


身向 “钠” 畔行



近年来,环境友好的钠离子电池的发展非常迅速,但仍存在不少问题,如适合的正负材料有限、电池体系能量密度较低、全电池循环寿命较短等。在目前储钠材料的研究中,硬碳是较为理想的负极材料;几类正极材料如氧化物、聚阴离子类和普鲁士蓝类化合物等,仍存在容量低、循环差、制备成本高等问题,与多种正极材料搭配的全电池能量密度基本在 100 W・h/kg 左右。纵观现在所研究的正负极材料,实际钠离子电池要达到 120 W・h/kg 且需保证储能所期的长循环寿命,具有一定的挑战。


据涂江平介绍,其本次研究完善了碳材料储钠的机制,阐明了无定形材料的储钠机制,为碳基钠离子电池负极的构建提供了理论指导和实践依据。结合前期研究,从无定形碳材料到氧化物复合碳材料、掺杂碳材料等多角度说明了储钠机制和方法。


本次研究是在前期有无定形碳材料作为钠离子电池的基础上进行,钠在无定形碳中的存储行为是利用内部结构、电子密度和系统能量来预测和分析的。


●内部结构:对于钠离子电池负极,无定形碳材料中的缺陷位点可以存储钠离子。所谓缺陷就是不完美的地方,包括杂原子、结构畸变扭曲,缺少或者是增加了原子、团簇等情况。吡咯氮和磷氧键分别是 N 和 P 掺杂中与原始结构差别最大的,也就是能够实现高结构畸变,因此具有较好的储钠性能。在理论基础的指导下,制备得到这种结构,才能实现高性能电极。


●电子密度:富电子元素提高电子云密度,从而增加对阳离子的亲和力。


●系统能量:钠离子插入过程中系统能量的变化证明了富电子元素掺杂碳的优越性。


磷量子点就是纳米级别的磷颗粒,通过水热反应在高温高压可以实现大块磷溶解,然后再次沉积,获得磷量子点,形成 P-O-C 键,实现磷掺杂,是一个从理论落实到实验的过程。用磷量子点成功地制备氮、磷共掺杂的无定形碳,其容量增大,循环寿命延长,容量保持率提高。这些结果可应用于其他元素掺杂体系,从而指导阳离子存储的研究,促进电池的发展。


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3 天前 09:58

图 | (a) 氮掺杂无定形碳 (b) 磷量子点的制备工艺


对于研究成果,涂江平简单概括为:“采用理论指导实践的研究方法,根据前期研究基础,确定了无定形碳材料的储存机制。我们的工作就是根据机制增加储钠位点,同时也发现了掺杂的碳材料具有优异的性能。我们对这些掺杂结构进行了一个系统的分析:一方面预测了储钠的最佳结构,另一方面是成功制备了具有最佳结构的储钠材料。


问渠 “钠” 得清如许?为有源头活水来



从目前产业情况来看,钠离子电池的产业化研究仍处在起步阶段,很多研究成果只能提供理论指导,离真正落地还需要一定的时间。目前钠离子电池的性能与锂离子电池相比还是有差距的。但钠离子电池的电极材料制备和使用过程中无毒性,也不含重金属元素,是无污染、无公害的环境友好型二次电池,不会对资源环境造成压力。


涂江平说:“我认为钠离子电池是未来储能器件的重要发展方向之一,在储能领域占据一席之地也是必然的。”
目前钠离子电池已经建成了初步的产业化生产基地、可在对性能要求不高的地方应用。


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3 天前 09:58

图 | 首辆钠离子电池低速电动示范车(来源:http://www.iop.cas.cn/xwzx/snxw/ ... om=timeline&isappinstalled=0)


最后涂江平整理了钠离子电池体系进行下一步研究与开发的几个方向:


(1)探寻设计正负极材料。初步研究,目前已开发的电极材料具有较高的安全性能,要针对已有的材料优化其性能,开拓广阔的市场;也要注重新材料、新机理方面的工作,适合嵌钠的材料及含钠化合物多种多样,这为以后嵌钠反应的科学研究提供更为广泛的材料选择基础。


(2)功能电解液 / 固态电极技术的开发。寻找合适的盐、溶剂以及添加剂,以满足高电压、长循环、高倍率、耐高低温、阻燃等需求;着重开发新型钠离子固体电解质,进一步提高固态电解质的钠离子电导率,并解决固 - 固界面难题也是可行的方案。


(3)除进一步提升电极材料的比容量和循环稳定性、电解液的开发,还需推进电池体系的规模化研究,从而进行电池体系的正负极匹配和电极电解液相互作用探讨,并对电池体系安全性进行系统考察。最终实现钠电池的科学研究及应用的纵深发展。


-End-


参考:

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0029686

https://www.newswise.com/articles/can-sodium-ion-batteries-replace-trusty-lithium-ion-ones

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cs/c6cs00776g#!divAbstract

https://www.sciencemag.org/news/2019/04/sodium-batteries-are-one-step-closer-saving-you-mobile-phone-fire

https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.11.023

iop.cas.cn

来源:DeepTech深科技

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