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鈉離子電池

nalizidianchi

研究歷史

研究歷史

鈉離子電池

鈉離子電池(Sodium-ion battery),是一種二次電池(充電電池),主要依靠離子正極負極之間移動(dòng)來(lái)工作,與鋰離子電池工作原理相似。

2018年12月,南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團隊合作,首創(chuàng )結構設計和調控方法,在基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展。

2020年11月,中科院物理所胡勇勝研究員與中外團隊合作的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界頂級學(xué)術(shù)刊物《Science》上發(fā)表,同時(shí),這也是《Science》創(chuàng )刊百余年來(lái)首次刊登鈉離子電池領(lǐng)域相關(guān)文章。該研究提出了一種簡(jiǎn)單的預測鈉離子層狀氧化物構型的方法,并在實(shí)驗上證實(shí)了該方法的有效性,為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設計和制備提供了理論指導。該研究成果入選2020年度中國科學(xué)十大進(jìn)展30項候選成果。 

研究歷史

鈉離子電池研究最早開(kāi)始于上世紀八十年代前后,早期被設計開(kāi)發(fā)出來(lái)的電極材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2電化學(xué)性能不理想,發(fā)展非常緩慢。尋找合適的鈉離子電極材料是鈉離子儲能電池實(shí)現實(shí)際應用的關(guān)鍵之一。2010年以來(lái),根據鈉離子電池特點(diǎn)設計開(kāi)發(fā)了一系列正負極材料,在容量和循環(huán)壽命方面有很大提升,如作為負極的硬碳材料、過(guò)渡金屬及其合金類(lèi)化合物,作為正極的聚陰離子類(lèi)、普魯士藍類(lèi)、氧化物類(lèi)材料,特別是層狀結構的NaxMO2(M= Fe、Mn、Co、V、Ti)及其二元、三元材料展現了很好的充放電比容量和循環(huán)穩定性。

由于鈉離子相對更大,需要更大的能量來(lái)驅動(dòng)離子的運動(dòng),這方面一度是新電池技術(shù)最頭疼的問(wèn)題,直到科學(xué)家們像碳芯電池一樣,采用碳作為驅動(dòng)介質(zhì),使得鈉離子電池的能效可以達到鋰電池的7倍之多,而且可循環(huán)充電的次數更多。此外,鈉離子的液態(tài)記憶這項難題也被攻克。

中科院物理所胡勇勝研究員帶領(lǐng)團隊自2011年起致力于安全保、低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)研發(fā),開(kāi)發(fā)出低成本銅基正極材料、煤基碳負極材料、低鹽濃度電解液,其核心專(zhuān)利獲得中國、美國、日本及歐盟授權。2017年,建成百?lài)嵓壵?、負極材料中試線(xiàn),兆瓦級產(chǎn)能的電池線(xiàn),研制出能量密度為150 Wh/kg,循環(huán)壽命達4500周的鈉離子電池,并先后完成電動(dòng)自行車(chē)、全球首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車(chē)、首座100kWh鈉離子電池儲能電站示范應用和全球首座1MWh鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統。研制的鈉離子電池產(chǎn)品可以滿(mǎn)足自行車(chē)等各類(lèi)低速電動(dòng)車(chē)及電動(dòng)船的需求,也可用于家庭/工業(yè)儲能、5G基站和數據中心后備電源,且適合應用于可再生能源接入電網(wǎng)及分布式儲能等大規模儲能領(lǐng)域。

2015年11月30日,法國一支研究團隊在可充電電池材料上取得了一項重大進(jìn)步,“18650”鋰電池被普遍用于筆記本、LED手電、以及特斯拉Model S汽車(chē)等設備上,但法國國家科學(xué)研究中心的研究人員們首次開(kāi)發(fā)出了業(yè)界標準的18650規格的鈉離子電池。

上海交通大學(xué)馬紫峰教授研究小組在國家自然科學(xué)基金委和國家973計劃支持下,從工業(yè)化應用角度出發(fā),采用氧化石墨烯對[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2電極進(jìn)行修飾改性,制備了無(wú)粘結劑的高電導特性的柔性電極,在0.1C至10C充放循環(huán)條件下,獲得良好的容量和循環(huán)性能。該研究小組還采用廉價(jià)的普魯士藍類(lèi)材料(NaMFe(CN)6),通過(guò)優(yōu)化晶體內部分子結構,構筑了高容量、長(cháng)循環(huán)壽命的鈉離子電池正極材料。其比容量高達118.2 mAh/g (10 mA/g)。在國際上首次將該材料與硬碳負極材料制備了儲能型鈉離子電池的原型電池,其能量密度達到了81.72 Wh/kg,是鉛酸電池的2倍,為儲能型鈉離子電池工業(yè)化奠定良好的技術(shù)基礎。

2018年12月,南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團隊合作,首創(chuàng )結構設計和調控方法,在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展,使低成本鈉離子電池有望取代鋰離子電池,相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》上。這種正極材料制成的電極比容量達到211.9毫安時(shí)每克,而市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時(shí)每克。充放電過(guò)程中,這種正極材料結構穩定無(wú)相變,體積變化僅為2%,循環(huán)充放電1000次后,比容量保持率高達94.6%,而電池行業(yè)一般的比容量保持率標準約為80%。

2020年12月,胡勇勝團隊匯集近十年在鈉離子電池基礎研究和工程化探索中取得的研究進(jìn)展,薈萃國內外專(zhuān)家學(xué)者近四十年在鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域取得的杰出成果,組織撰寫(xiě)了《鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)》這本專(zhuān)業(yè)書(shū)籍,系統總結了鈉離子電池的研究現狀,集中探討鈉離子電池的關(guān)鍵問(wèn)題,著(zhù)力展望鈉離子電池的發(fā)展趨勢。

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