技术背景:
钠商子电池的研究可被追溯至20世纪七八十年代。而在20世纪90年代随着商业化锂离子电池的问世,钠离子电池的研究被搁置了很长时间。这主要是由于钠的原子量比锂的原子量大且工作电压偏低,在相同比容量下,钠离子电池的质量及体积比能量密度明显低于锂商子电池。因此,发展高比容量、长循环寿命及低成本的钠离子电池是将来实现钠离子电池商业化的关键。
金属钠与金属锂物理化学性质十分相似,电位仅比锂高 0.33 V (-2.71 V vs. SHE),而熔点仅为 97.7 ℃。如果直接采用金属钠为负极,在电池充放电工作中也会出现锂离子电池相同的问题,即在金属钠表面产生“钠枝晶”,进而穿通隔膜,引起电池内部短路。这给电池安全性发出了警告。参考锂离子电池负极材料的选择与研究经验,钠离子电池负极材料同样要考虑以下因素[72, 75, 116]:1)嵌入材料的电位接近金属钠电位以保证整个电池的高输出电压。2)钠离子的嵌入与脱出的过程中材料的结构变化尽可能小,保持电池的循环稳定性。3)材料与电解液的兼容性经良好,有较高的化学稳定性。4)环境友好,原材料易获取,成本低廉。
目前钠离子电池负极材料还是以碳基材料为主,其他研究得较多的有合金类与嵌入型负极材料。
技术问题:
①碳基负极材料:碳材料晶粒越小,比表面积越大,形成SEI保护层消耗的 钠盐越多,导致首次充放电效率越低 ;而氢含量越高,容量的滞后越大。
②合金类负极材料:合金类负极材料在钠嵌入过程中体积膨胀严重导致电极粉化,这使得其电化学性能很难得到稳定。
③氧化物与硫化物负极材料:虽然该材料的首周比容量可以达到 600 mAh g -1 以上,但是第二周能实现的可逆比容量只有不到200 mAh g -1。
④有机小分子化合物:与作为锂离子电池负极相似, 一是材料的导电率很低,需要加入大量的乙炔黑来提高其电导率,这使得电极首周的不可逆容量较大,在实际的运用中也降低了材料的体积能量密度。二是材料在电解液中的溶解性导致材料的循环寿命较短,材料的库伦效率与循环稳定性还有待提高。
技术指标:储钠容量>300mAh/g。