钠离子电池综述
钠离子电池硬碳负极嵌钠机理
钠离子电池硬碳负极嵌钠机理介绍钠离子电池作为一种新型的储能器件，具有高能量密度、长循环寿命等优点，受到了广泛关注。
其中，硬碳负极作为钠离子电池的重要组成部分，对于提高电池性能具有关键作用。
本文将重点介绍钠离子电池硬碳负极嵌钠机理。
一、硬碳负极材料概述硬碳是一种具有高电化学活性和良好机械性能的碳材料，通常由聚合物或有机物经碳化得到。
与石墨负极相比，硬碳负极具有更高的容量和更快的充放电速率，因此在钠离子电池中具有广泛应用前景。
二、嵌钠机理1．钠离子嵌入过程在钠离子电池充放电过程中，钠离子通过电解质溶液嵌入硬碳负极材料中。
当钠离子嵌入硬碳负极时，会与硬碳材料中的碳原子形成离子键，从而在硬碳材料中形成钠离子嵌入层。
这个嵌入层会随着钠离子的不断嵌入而逐渐扩大，同时伴随着电化学反应的进行。
2．嵌钠容量与速率硬碳负极的嵌钠容量和速率受到多种因素的影响，如硬碳材料的结构、表面形貌、孔隙率等。
一般来说，具有高比表面积、大孔容和丰富孔洞结构的硬碳材料具有更好的嵌钠性能。
此外，电解质溶液的组成和浓度也会对嵌钠性能产生影响。
3．嵌钠动力学与机理嵌钠动力学是研究钠离子在硬碳负极中嵌入速度和过程的重要手段。
通过研究嵌钠动力学，可以深入了解嵌钠机理，为优化硬碳负极材料提供理论依据。
目前，对于嵌钠动力学的研究主要采用实验和理论模拟相结合的方法，通过观察嵌钠过程中的电压、电流等参数的变化，结合分子动力学模拟等方法，探究嵌钠的动力学过程和机理。
三、影响因素与优化策略1．影响因素影响硬碳负极嵌钠性能的因素主要包括硬碳材料的结构、表面形貌、孔隙率等内部因素，以及电解质溶液的组成和浓度等外部因素。
此外，温度、压力等环境因素也会对嵌钠性能产生影响。
2．优化策略为了提高硬碳负极的嵌钠性能，可以采取以下优化策略：（1）优化硬碳材料的结构：通过改变合成方法或添加掺杂剂等方式，调控硬碳材料的结构，提高其比表面积、孔容和孔洞结构等参数，从而提高嵌钠性能。
钠离子电池的分类
钠离子电池的分类钠离子电池是一种新型的可充电电池，其电极材料和电解质中含有钠离子。
钠离子电池具有高能量密度、长循环寿命和低成本等优势，因此受到了广泛的关注和研究。
根据不同的电极材料和结构，钠离子电池可以分为以下几类。
1. 钠离子电池的正极材料分类钠离子电池的正极材料通常是金属氧化物或磷酸盐等化合物。
根据正极材料的不同，钠离子电池可以分为以下几类。
1.1 钠离子电池的钴酸盐正极钴酸盐是一种常用的正极材料，具有较高的能量密度和较长的循环寿命。
钠离子电池采用钴酸盐正极可以实现高能量密度的储能，适用于电动汽车、储能系统等领域。
1.2 钠离子电池的磷酸盐正极磷酸盐也是一种常见的正极材料，具有优异的化学稳定性和循环寿命。
钠离子电池采用磷酸盐正极可以实现长循环寿命和高安全性，适用于储能系统和家用电器等领域。
1.3 钠离子电池的锰酸盐正极锰酸盐是一种低成本、可大规模制备的正极材料。
钠离子电池采用锰酸盐正极可以实现低成本和高能量密度，适用于储能系统和电动工具等领域。
2. 钠离子电池的负极材料分类钠离子电池的负极材料通常是石墨或钠金属。
根据负极材料的不同，钠离子电池可以分为以下几类。
2.1 钠离子电池的石墨负极石墨是一种常用的负极材料，具有良好的导电性和嵌入/脱嵌钠离子的能力。
钠离子电池采用石墨负极可以实现较高的循环稳定性和可靠性，适用于储能系统和电动汽车等领域。
2.2 钠离子电池的钠金属负极钠金属是一种具有高能量密度的负极材料，但由于其在充放电过程中易发生钠枝晶化和氧化等问题，导致循环寿命较短。
钠离子电池采用钠金属负极需要解决钠枝晶化和氧化问题，以提高循环寿命和安全性。
3. 钠离子电池的电解质分类钠离子电池的电解质通常是有机液体电解质或固态电解质。
根据电解质的不同，钠离子电池可以分为以下几类。
3.1 钠离子电池的有机液体电解质有机液体电解质具有较高的离子导电性和良好的电化学稳定性。
钠离子电池采用有机液体电解质可以实现较高的电化学性能和循环寿命，适用于储能系统和移动设备等领域。
钠离子电池的组成
钠离子电池的组成钠离子电池是一种新型的高性能电池，它将钠离子作为电荷的载体，具有较高的能量密度和较长的循环寿命。
钠离子电池的组成主要包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜。
正极材料是钠离子电池中的重要组成部分，它负责储存和释放钠离子。
目前常用的正极材料有钠离子插层材料、钠离子合金材料和钠离子多价材料。
钠离子插层材料是指可以插入和脱出钠离子的材料，如钠离子插层氧化物和钠离子插层磷酸盐。
钠离子合金材料是指可以与钠形成合金的材料，如钠金属和钠合金。
钠离子多价材料是指可以通过氧化还原反应实现钠离子的多价变化的材料，如钠离子多价过渡金属氧化物。
这些正极材料具有较高的容量和较好的循环性能，是钠离子电池的重要组成部分。
负极材料是钠离子电池中的另一个重要组成部分，它负责存储和释放钠离子的电极。
目前常用的负极材料有碳材料、金属钠和钠合金。
碳材料是一种优良的负极材料，具有较高的钠离子嵌入和脱出能力。
金属钠是一种常用的负极材料，具有较高的电导率和较好的循环性能。
钠合金是一种新型的负极材料，可以提高钠离子电池的能量密度和循环寿命。
电解质是钠离子电池中起到传递离子的作用的重要组成部分。
目前常用的电解质有有机电解质和无机电解质。
有机电解质是指由有机溶剂和钠盐组成的电解质，具有较高的离子传导性能和较好的稳定性。
无机电解质是指由无机盐和溶剂组成的电解质，具有较高的离子传导性能和较好的热稳定性。
电解质的选择对钠离子电池的性能和安全性有着重要影响。
隔膜是钠离子电池中的另一个重要组成部分，它起到隔离正极和负极的作用，防止钠离子和电子的直接接触。
目前常用的隔膜有聚合物隔膜和陶瓷隔膜。
聚合物隔膜具有较高的离子传导性能和较好的机械性能，但在高温下容易失效。
陶瓷隔膜具有较高的热稳定性和较好的机械性能，但离子传导性能较差。
隔膜的选择对钠离子电池的循环寿命和安全性有着重要影响。
钠离子电池的组成主要包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜。
正极材料负责储存和释放钠离子，负极材料负责存储和释放钠离子的电极，电解质起到传递离子的作用，隔膜起到隔离正极和负极的作用。
了解钠离子电池
目录
➢ 钠电的优劣势 ➢ 钠电池的正负极材料体系及技术改善方向 ➢ 钠电产业化进程
➢ 钠电产业化进程 ➢ 钠电应用场景探讨 ➢ 钠电池企业投资问题
一、钠电的优劣势
1、优势 与锂资源相比，钠资源储量非常丰富，所以在大规模应用的场景下，钠电池没有明显的资源约束。而且，钠 电池的正极材料、集流体材料的理论成本比锂电更低，在完成产业化降本之后，其初始投资成本有望较锂电 更低。 钠电池可以在-40℃到 80℃的温度区间正常工作，-20℃的环境下容量保持率接近 90%，高低温性能优于其他 二次电池。 钠电池的内阻比锂电池高，在短路的情况下瞬时发热量少，温升较低，热失控温度高于锂电池，具备更高的 安全性。
二、钠电池的正负极材料体系及技术改善 方向
钠电池正极材料主要有四种：过渡金属层状氧化物（容量大，衰减快）、普鲁士蓝型化合物（循环 好，制备难）、聚阴离子型化合物（循环好，导电差）、有机小分子化合物（种类多，易失效）。 钠电池负极材料同样有四种：碳材料（成本低，导电性高）、钛基化合物（稳定性好，导电性差）、 合金化材料（容量高，稳定性差）、相转化材料（容量高，导电性差）。 当前国内钠电池的技术路线与改进思路： （1）筛选电池正极、负极材料，进行粒度、孔径、组成、结构等层面上的优化改性； （2）匹配电解质材料，优化电解质组成、浓度、溶剂化构型，辅以功能性添加剂； （3）研究以电极为主体，以界面、电解质为重要组成部分的电极体系在不同温湿度环境、不同充放 电条件下的电化学储能特性，以反馈优化电池体系的设计； （4）组装圆柱/方形铝壳电池，进一步评价及反馈优化全电池的组成与结构，以期在提升钠离子全 电池的能量密度、循环寿命的同时，控制电池成本； （5）在平衡性能与成本的基础上，复合超级电容器等器件，以改善电池功率特性。
钠离子电池硬碳负极材料简介演示
除了硬碳材料外，其他类型的负极材料如钛基材料、锡基 材料等也具有潜在的应用前景。研究这些新型材料的性能 和特点，并将其与硬碳材料进行比较，有助于发现更优异 的负极材料，进一步推动钠离子电池技术的发展。同时， 研究不同负极材料与钠离子电池正极材料的匹配性，可以 优化电池的整体性能。
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快速发展阶段
进入21世纪，着环保意 识的提高和新能源技术的 需求，钠离子电池的研究 进入快速发展阶段。
商业化应用阶段
近年来，钠离子电池的研 发取得重要突破，多家企 业开始布局钠离子电池的 商业化应用。
钠离子电池的原理和结构
工作原理
钠离子电池是一种基于钠离子在 正负极之间可逆嵌入和脱出的二 次电池，其工作原理与锂离子电 池类似。
目前硬碳负极材料的高成本是阻碍钠离子电池广泛应用的主要因素之一。通过改进制备工艺、优化原材料选择和 降低生产过程中的能耗，可以有效降低成本。同时，简化制备流程和提高产率也是未来研究的重要方向。
探索新型硬碳材料和其他负极材料
要点一
总结词
要点二
详细描述
探索新型硬碳材料和其他负极材料是推动钠离子电池技术 进步的重要途径。
硬碳负极材料的倍率性能和安全性能
倍率性能
硬碳负极材料的倍率性能较好，能够 适应不同负载的充放电需求。
安全性能
硬碳负极材料的安全性能较高，能够 保证电池在使用过程中的安全性。
04
钠离子电池硬碳负极材料的未 来展望
提高硬碳负极材料的容量和循环性能
总结词
提高硬碳负极材料的容量和循环性能是未来研究的重要方向，这有助于提升钠离子电池的整体性能。
02
硬碳负极材料简介
硬碳材料的性质和特点
纳米固态钠离子电池-概述说明以及解释
纳米固态钠离子电池-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述纳米固态钠离子电池是一种新型的高性能储能设备，其采用纳米级固态电解质材料来媒介钠离子的传输与反应。
与传统的液态电解质钠离子电池相比，纳米固态钠离子电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和更高的安全性。
本文将从原理和工作机制、优势和应用前景以及挑战和解决方案三个方面来介绍纳米固态钠离子电池的相关内容。
在原理和工作机制部分，我们将介绍纳米固态钠离子电池的基本构造和工作原理。
通过纳米级固态电解质材料的运用，钠离子在充放电过程中可以更有效地进行传输和嵌入/脱嵌反应，从而提高储能性能。
在优势和应用前景部分，我们将探讨纳米固态钠离子电池相比于其他储能技术的优越性。
纳米固态电解质材料具有高的离子电导率和良好的热稳定性，使得钠离子电池在能量密度、循环寿命和安全性等方面具有很大的潜力，可以广泛应用于可再生能源储存、电动车辆和移动设备等领域。
在挑战和解决方案部分，我们将讨论目前纳米固态钠离子电池研究面临的一些挑战，并提出一些可能的解决方案。
例如，纳米固态电解质材料的合成与制备、钠离子传输的速率和容量衰减等问题都是目前亟需解决的难题。
通过本文的阐述，希望能够全面了解纳米固态钠离子电池的原理和工作机制，掌握其优势和应用前景，以及了解其面临的挑战和解决方案。
纳米固态钠离子电池的快速发展将为能源存储领域带来巨大的进步，对环境可持续发展具有重要意义。
1.2文章结构文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文将围绕纳米固态钠离子电池展开讨论，分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将对纳米固态钠离子电池进行概述，介绍其基本原理和工作机制。
同时，将明确本文的目的，即探讨纳米固态钠离子电池在能源领域的应用前景。
正文部分将重点关注纳米固态钠离子电池的优势和应用前景。
首先，将详细介绍纳米固态钠离子电池的原理和工作机制，包括阳极、阴极和固态电解质的结构与性能特点。
随后，将探讨纳米固态钠离子电池在储能、电动车和可穿戴设备等领域的应用前景，以及对传统锂离子电池的挑战和优势。
钠离子电池宽温域
钠离子电池宽温域钠离子电池是一种新型的能量存储系统，可用于电动汽车、可再生能源储存和电网储能等领域。
与传统的锂离子电池相比，钠离子电池具有更高的能量密度和更低的成本，因此备受关注。
钠离子电池的一个重要特点是其宽温域性能，即在不同温度下仍能够稳定运行。
钠离子电池在宽温域下的性能表现非常出色。
首先，钠离子电池可以在低温环境下工作。
由于钠离子电池中的电解液具有较低的冰点，因此在寒冷的冬天，这种电池仍能够提供稳定的电能输出。
这对于电动汽车在北方寒冷地区的使用非常重要，使其能够在严寒条件下保持较长的续航里程。
其次，钠离子电池也具有良好的高温性能。
在高温环境下，电池的电解液仍能维持稳定的导电性能，不会发生过热等危险情况。
这对于夏季高温地区的电动汽车和可再生能源系统而言，具有重要意义。
高温下的钠离子电池能够保持较高的能量输出和较长的使用寿命，使得电动汽车能够在高温环境下进行长途驾驶，同时提高了可再生能源系统的发电效率。
另外，钠离子电池还表现出优异的温度适应性。
无论是在极端的低温下还是高温下，钠离子电池都能够稳定运行。
这得益于其特殊的电解质和电极材料的选择，以及优化的电池结构设计。
这种温度适应性使得钠离子电池成为一种理想的可靠能量储存解决方案，能够适应不同地区和季节的气候变化。
此外，钠离子电池的宽温域性能还带来了可靠性和安全性的提升。
在极端的温度条件下，电池可能会遭受损坏或发生异常状况，导致电池性能下降甚至发生事故。
然而，钠离子电池表现出优异的热稳定性和抗寒性，能够在恶劣的环境下保持稳定和安全的运行。
这为电动汽车和能源储存系统提供了更可靠和安全的能源供应。
总的来说，钠离子电池具有宽温域性能，可以在不同温度条件下稳定运行。
其能够在低温环境下提供稳定电能输出，同时在高温环境下仍能保持高效的能量输出。
这种宽温域性能使得钠离子电池成为一种理想的能源储存解决方案，能够适应各种气候条件和使用环境。
随着技术的不断进步和成本的进一步降低，钠离子电池有望在未来的能源领域发展中发挥重要作用。
铅酸电池 与钠离子电池
铅酸电池与钠离子电池铅酸电池和钠离子电池都是广泛应用于储能领域的电池类型，两种电池在电化学原理、结构设计、应用场景等方面存在着显著的差异。
本文将从三方面进行分析比较，分别是电化学原理、结构设计、应用场景。
一、电化学原理1. 铅酸电池：铅酸电池是一种中性电池,其反应式为Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O。
电池的正极为PbO2,负极为Pb,PbO2将被还原为PbSO4,同时负极Pb也被硫酸化为PbSO4,电子从负极向正极流动，现代铅酸电池中，电解质液为浓硫酸，混合酸锑是增强电池容量的关键。
2. 钠离子电池：钠离子电池是一种流行的储能电池,其正极是由硫化钠和碳材料制成的,Sodium ions (Na+)从中释放出来,经过电解质电解器，进入负极，即碳，同时反应式为: Na+ + xC → NaCux。
钠离子电池反应速率快、能量密度高,可达到250Wh/kg。
二、结构设计1. 铅酸电池：铅酸电池的正极是多孔的PbO2材料，负极为Pb，二者通过隔板分离，电解质液为稀硫酸和液态铅。
铅酸电池能量密度低, 不耐高温,且存在容量衰减,应用场景日益受到限制。
2. 钠离子电池：钠离子电池的设计中，氟化钠材料被用于构成正极，负极为碳材料，钠离子从正极流向负极进入电解液中。
轻质、高效、无限循环寿命是钠离子电池的主要优势。
三、应用场景1. 铅酸电池：铅酸电池是电动汽车的常用电池之一，但由于其能量密度低，容量衰减快，使用寿命短，近几年因不满足要求而逐渐淘汰。
目前更适合用于UPS、太阳能、电力通信等领域。
2. 钠离子电池：由于其较高的能量密度以及良好的循环寿命，钠离子电池在储能领域内比铅酸电池更具应用前景。
不仅可以储存巨大的能量，还可以充放电速度较快，在应急停电、电网应用、电动汽车充电等方面具有更广泛的应用前景。
总体来说，铅酸电池和钠离子电池在应用中各有优缺点。
铅酸电池在成本方面较为优势，而钠离子电池在能量密度、循环寿命等方面更为出色，正逐渐成为储能领域的主流电池。
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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(E0Na+/Na=E0Li+/Li+0.3)比锂离子电池高，适合采用分解电压更低的电解液，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）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 0.3～0.4 V，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NaxCoO2、NaxMnO2
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有:NaxTiS2,NaxNbS2Cl2,NaxWO3-y,NaxV0.5Cr0.5S,NaxMoS3(非定形),NaxTaS2,各式中02.1五氧化二钒(V2O5) 五氧化二钒(V2O5)是阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究小组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(V2O5)材料可用于室温下，具有250mAh/g的比容量，接近理论比容量，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V2O5材料作钠离子电池正极的充放电反应机理如图所示，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V2O5的过程如图所示。
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，这种长程有序也消失，而层内结构仍保存着。因此，通过优化平衡静电力，诱导纳米材料的排列，会取得尽可能高的电极容量。这种开放式框架结构具有好的“弹性”和卓越的长期稳定性，可使双层五氧化二钒成为一种合适的可用于高能量密度钠充电电池的正极材料。 2.2 单晶Na0.44MnO2纳米线 高功率钠离子蓄电池近年来吸引了越来越多人的兴趣，因此，急需开发一种纳米结构的电极材料，因为纳米材料具有很高的比表面积，缩短了钠离子的扩散距离，所以使电池具有高的功率密度。用水热法合成的单晶Na0.44MnO2纳米线，可用于钠离子电池。将0.1g的Mn3O4粉末分散在NaOH溶液中（40ml/5mol/l），然后将溶液放在Teflon-lined高压锅（45ml）中，在205℃加热96h。之后，冷却反应物，过滤沉淀物，用水反复冲洗，然后在室温下真空干燥。SEM和TEM实验证明水热法合成Na0.44MnO2具有单晶纳米线形貌。实验证明，该材料的可逆比容量为120mAh/g。另外，单晶Na0.44MnO2纳米线具有高的充放电倍率循环性能和循环稳定性，因此是一种非常有前途的钠离子电池正极材料。 2.3 可逆NaFePO4电极 通过置换橄榄石LiFePO4中Li的置换可获得橄榄石型NaFePO4
正极。实验证明橄榄石型NaFePO4电极是一种非常有潜力的钠离子
电池电极材料。这种材料中，理论比容量最大的为橄榄石结构NaFePO4，为 154 mA·h/g。但和 LiFePO4的不同点是，NaFePO4 最稳定存在的相是磷铁钠矿结构，该结构 Na+占据 4c 的 Wyckoff 点阵位置，Fe2+占据 4a点阵位置。这点刚好与 LiFePO4相反，Li+ 占据4a位置，Fe2+占据 4c 位置。导致这种结构差异的可能原因是 Na 离子半径比 Li 大。 NaFePO4材料在 60 ℃，C/24倍率下，充放电的首次比容量达到 147 mA·h/g。但这种材料到目前为止没有得到良好的循环性能，有待更多的深入研究。 2.4 NaxCoO2及其参杂化合物 在NaxCoO2化合物中,Na+主要位于层状(CoO2)n八面体之间:数量少时,钠离子间呈三棱柱状排列;数量多时,它们则配位成八面体。尽管NaxCoO2化合物电性能较优,但钴盐价格昂贵,使得电池成本大幅上升,故出现了其它各种替代材料。 2.5 NaxMnO2及其参杂化合物
3 钠离子电池的负极材料 3.1碳材料 用石墨作负极，由于钠离子在石墨层间迁移需要高跃迁能，脱/嵌困难。钠金属会形成枝晶，如锂金属一样。钠金属的安全性也受到质疑，因为其熔点只有97.7℃，而锂金属为180.5℃。硬碳被认为可以作为负极材料，钠合金是否能作为负极材料也正被广泛的研究。 在实验室中应用较多的钠离子电极负极材料有各类碳材料,如石墨,乙炔黑,中间相碳微球(MCMB),它们的电化学性能与各自的结构和含氢量密切相关,一般的规律是:晶粒小,比表面积大,与电解质接触面 也大,从而用来形成保护层所消耗的电解质也多;而含氢量越多,容量滞后也越大。 中间相碳微球(MCMB)的制备及其电化学性能已有详细的研究,与不经处理和经高温(3 000℃)处理的MCMB相比,750℃热处理后的MCMB电化学性能最优,这是因为它未完全失氢和适中的石墨化程度。报道称其比容量达750mAh/g,为石墨理论比容量372mAh/g(NaC6)的两倍多;石墨化缺陷则避免了无谓的有机溶剂分解,又是低温制备,可见,这是一种较为理想的负极材料。 3.2合金 另一类重要的负极材料是钠合金,其制备是将单质钠与其它金属按一定比例在惰性气氛中于合适温度下熔融,再经退火结晶即可。目前研究较多的是钠的二元与三元合金,可与钠制成负极用合金的元素有:Pb,Sn,Bi,Ga,Ce,Si等,选择这些金属的原因是:可增加负极材料与电解质的相容性,防止在过充电时生成枝晶,增加了安全性,故能延长电池的使用寿命;且它们氢过电位较高,能减少电池的自放电反应,从而提高电池的贮存性能。合金负极的缺点是降低了比能量,如Na15Pb4/P2NaxCoO2系统为350Wh/kg,是Na/P2 NaxCoO2系统的3/4左右,但其高体积比能量仍然很有吸引力(Na15Pb4/P2 NaxCoO21500Wh/L,与Na/P2 NaxCoO21600 Wh/L接近)。另外,出于环保考虑,应尽量避免使用重金属(如Pb)作为钠的合金化元素。有学者对利用高分子掺杂以改变合金晶型以及提高其比容量作了相应的研究。 3.3金属氧化物材料 4 电解质 按其存在状态讲,钠离子二次电池的电解质有液态和固态两类之分。与锂离子二次电池相似,用于钠离子电池的液态电解质也是由钠盐溶于有机溶剂中,钠盐一般可以为:NaPF6,Na-ClO4,NaAlCl4,NaFeCl4,NaSO3CF3,NaBF4,NaBCl4,NaNO3,NaPOF4,NaSCN,NaCN,NaAsF6,NaCF3CO2,NaSbF6,NaC6H5CO2,Na(CH3
)C6H4SO3,NaHSO4,NaB(C6H5)4等等;对有机溶剂则有以下要求:介电常
数大,熔点低(常温时为液态),钠离子导电能力强。为满足前叙几点要求,电解质溶剂一般为无水二元组分,其成分可以是碳酸乙烯酯(EC),碳酸丙烯酯(PC),碳酸二乙酯(DEC),1,2-二甲氧基乙烷(DME),四氢呋喃(THF),2-甲基四氢呋喃(2-MTHF)等。在最终配制成的电解质中,Na+摩尔浓度以1mol/L左右为宜。 液态电解质配置要求高(无水)、易泄漏、不安全(如造成单质金属负极生成枝晶,导致电池内部短路而发生爆炸)。特别是以单质钠为电池负极材料时,它与液态电解质间的反应造成该类电池发展困难。使用合金负极是一种方案,但合金中钠离子扩散困难,而且在多次循环之后,其体积有显著变化。另外一种解决方案是改进电解质,即在选择适当溶剂的同时,加入添加剂。但人们也在寻找新型电解质材料,近年来发展较快的聚合物电解质就是一个典型的例子。一般来讲,所谓聚合物电解质就是将盐类物质以掺杂的形式混入聚合物制成导电(主要是