中國粉體網(wǎng)訊  7月29日，寧德時代董事長曾毓群博士在鈉離子電池發(fā)布會上，不僅向全世界展示了寧德時代這款全球最高水平160Wh/kg能量密度的第一代鈉離子電池，更是創(chuàng)造性的將鈉離子電池和鋰離子電池混搭使用，最超預(yù)期的是鈉離子電池最快會在2023年商業(yè)化。鈉離子電池這個有別于目前主流鋰電池的新型電池迅速進(jìn)入了市場的視野中，不僅激起了投資者的熱議，更是引發(fā)了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

鈉離子的半徑較大、比重高，導(dǎo)致其在電極材料脫嵌時受到的阻力比鋰離子大，電池的能量密度和功率密度較低。現(xiàn)階段較為成熟的鈉離子電池電極材料較少且電化學(xué)性能較差，還沒有適合大規(guī)模商業(yè)化的材料。對于大規(guī)模儲能而言，在一定安全性的基礎(chǔ)上，成本和循環(huán)壽命是需要考慮的首要因素，而開發(fā)價格低廉、性能優(yōu)異的儲鈉電極材料是實現(xiàn)鈉離子電池商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前，鈉離子電池正極材料已得到廣泛而深入的研究，負(fù)極材料研究則相對不成熟，成為制約鈉離子電池發(fā)展的重要因素。鈉離子電池負(fù)極材料主要有四類：

（1）碳基負(fù)極材料

由于傳統(tǒng)的石墨無法作為鈉離子電池的負(fù)極，目前人們研究重點在無定形碳上，主要包括兩類：硬碳和軟碳。碳基負(fù)極材料尤其是硬碳材料，具有合適的電位、較高的比容量和首次Coumlombic效率，使其成為最有商業(yè)化前景的負(fù)極材料。然而，硬碳材料的成本較高，不利于發(fā)揮鈉離子電池低成本的優(yōu)勢。

（2）鈦基氧化物負(fù)極材料

鈦在氧化物中一般都以四價存在，是一種在空氣中可以穩(wěn)定存在的價態(tài)。所以，鈦基氧化物能夠長時間在空氣中穩(wěn)定存儲。二氧化鈦（TiO₂）具有晶型豐富、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)境友好、價格低廉等優(yōu)點，逐漸成為鈉離子電池負(fù)極材料的研究熱點。在深度放電條件下，TiO₂的理論容量為335mAh·g^-1。然而TiO₂為半導(dǎo)體，導(dǎo)電性較低，導(dǎo)致其電化學(xué)活性不高，將TiO₂與高導(dǎo)電性碳材料進(jìn)行復(fù)合已經(jīng)成為提高其儲鈉性能的重要手段。

（3）合金類負(fù)極材料

合金類負(fù)極材料因其高的比容量而備受關(guān)注，這類研究主要集中在第Ⅳ主族和第Ⅴ主族元素中，比如Sb金屬，它與3個Na發(fā)生反應(yīng)提供660mAh/g的比容量；Sn金屬可以與3.75個Na發(fā)生反應(yīng)提供847mAh/g的比容量，因此Sn表現(xiàn)出更高的容量優(yōu)勢。金屬Sn負(fù)極首周庫倫效率較低，循環(huán)性能不佳，這是限制其應(yīng)用的主要因素。

（4）金屬有機(jī)骨架化合物負(fù)極材料

基于電化學(xué)活性的有機(jī)化合物材料不但可以作為鈉離子電池正極材料，也可以作為鈉離子電池負(fù)極材料。羰基化合物是1969年首次報道以來研究最為廣泛的有機(jī)電極材料之一。羰基由于具有高反應(yīng)活性、快的離子傳輸動力學(xué)、高的比容量和結(jié)構(gòu)多樣性，是目前在有機(jī)電活性材料中普遍存在的官能團(tuán)。

為致力于提高鈉離子電池的能量密度，有利于進(jìn)一步設(shè)計開發(fā)性能優(yōu)異的鈉離子電池關(guān)鍵電極材料，并構(gòu)建高穩(wěn)定、長壽命的鈉離子電池，為鈉離子電池在儲能領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺將于2021年8月25日舉辦“2021首屆鈉離子電池技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會”，屆時來自中南大學(xué)的王海燕教授將作《提升鈉離子電池能量密度：從材料到全電池體系》報告，本報告首先介紹課題組在低成本高容量TiO₂和MoS₂等非碳負(fù)極上的研究進(jìn)展，然后將重點介紹在硬碳結(jié)構(gòu)調(diào)控方面的工作。

另外，因為高容量負(fù)極如TiO₂，MoS₂或硬碳的首次庫倫效率都較低，需要消耗大量正極材料，導(dǎo)致全電池能量密度下降，針對這個問題，課題組首先提出了系列結(jié)構(gòu)與界面調(diào)控策略，提升負(fù)極材料的首庫。并且提出一種正極補(bǔ)鈉技術(shù)，在基本不影響電池其它電化學(xué)性能的前提下實現(xiàn)了全電池能量密度的明顯提高（超過20%），有望為推動高容量鈉離子負(fù)極材料的實際應(yīng)用提供一種新思路。

報告人介紹

王海燕，中南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，香江學(xué)者，湖南省杰出青年基金獲得者，湖湘青年英才。曾獲國家公派留學(xué)University of St.Andrews，曾獲香江學(xué)者資助在香港科技大學(xué)從事研究工作。主要從事儲能材料結(jié)構(gòu)與界面調(diào)控方面的研究，致力于開發(fā)高比能長壽命高安全的儲能電池器件。目前以第一或通訊作者在Nat Commun，Ange wandte，Energy Environ Sci，Adv Mater等國內(nèi)外知名期刊發(fā)表論文120余篇，他引4500余次，H指數(shù)45。獲授權(quán)國家發(fā)明專利12項，其中2項已實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。獲湖南省首屆“我最喜愛的青年教師”，湖南省自然科學(xué)二等獎和重慶市科技進(jìn)步一等獎等。

資料來源：

黃洋洋等. 高性能低成本鈉離子電池電極材料研究進(jìn)展 

廉思甜等. 二氧化鈦基鈉離子電池負(fù)極材料研究進(jìn)展 

徐凱琪等. 鈉離子電池硬碳負(fù)極材料首周效率的研究進(jìn)展

華爾街見聞：寧德鈉離子電池對行業(yè)意味著什么？沖擊or機(jī)遇？

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）

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