中國粉體網(wǎng)訊 日前，中國科學院青島生物能源與過程研究所研發(fā)的60伏特鈉離子電池組順利完成在電動兩輪車的裝車示范，該電池模組以1P20S的方式成組而成，重量約10千克，標準載重75千克，標準續(xù)航里程70千米。
青島能源所固態(tài)鈉離子電池應用示范
據(jù)悉，該鈉離子電池是由青島能源所崔光磊團隊通過建立一系列綜合性能優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)體系，研發(fā)出的高能量密度的“鈉固1號”型固態(tài)鈉離子電池，電芯能量密度超140 Wh/kg，電池模組比能量密度超110 Wh/kg，擁有高安全、強動力、長續(xù)航及長壽命四大優(yōu)勢，且針刺測試不冒煙、不燃燒、不爆炸。
固態(tài)鈉離子電池的工作機理和優(yōu)勢
鈉離子電池具有資源儲量豐富、成本低和與鋰離子電池類似的儲能機制等優(yōu)勢，使其極有潛力在便攜式電子設備、混合動力和全電動車輛等工業(yè)中應用。然而，傳統(tǒng)液態(tài)鈉離子電池存在電解液泄漏、易燃等安全問題，并且鈉枝晶生長不可控致使電池穩(wěn)定性較差，形成的“死鈉”還將導致鈉電池可逆容量損失。
固態(tài)鈉離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)有機電解液解決了電解液揮發(fā)和泄漏帶來的燃燒和爆炸等安全問題。同時，固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)越的機械性能和熱化學穩(wěn)定性能改善電池壽命和穩(wěn)定性及實現(xiàn)高能量正極與金屬鈉負極在固態(tài)鈉電池中匹配使用。此外，固態(tài)電解質(zhì)可實現(xiàn)電池設計簡化，不需要額外的電解液容器或隔膜組件，從而提升電池的能量密度。固態(tài)鈉離子電池兼顧高能量密度與高安全性，對開發(fā)下一代高能量密度電池和解決能源危機具有重大意義。
固態(tài)和液態(tài)電池示意圖
固態(tài)鈉離子電池的工作原理與傳統(tǒng)鈉離子電池相似，充電時 Na+從正極脫出經(jīng)固態(tài)電解質(zhì)到達負極，負極處于富鈉態(tài)，正極處于貧鈉態(tài)，電子通過外電路從正極到達負極，從而保證負極電荷平衡；放電時Na+從負極脫出經(jīng)固態(tài)電解質(zhì)嵌回正極，正極處于富鈉態(tài)，負極處于貧鈉態(tài)，電子通過外電路從負極到達正極進行電荷補償。固態(tài)電解質(zhì)在固態(tài)鈉離子電池中既是隔膜也是Na+傳導介質(zhì)。因此，固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)鈉離子電池的核心材料，其Na+電導率、化學/電化學穩(wěn)定性、與電極間相容性和熱穩(wěn)定性是影響固態(tài)鈉離子電池能量密度、循環(huán)壽命和安全性的關(guān)鍵因素。
鈉離子電池固態(tài)電解質(zhì)
早在20世紀70年代，鈉離子導電固態(tài)電解質(zhì)就被研究人員Goodenough發(fā)現(xiàn)。目前，國內(nèi)外各研究組已經(jīng)提出了多種固態(tài)鈉離子導體材料，主要分為氧化物固態(tài)電解質(zhì)、硫化物固態(tài)電解質(zhì)、有機聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及新興的硼氫化鈉固態(tài)電解質(zhì)。
氧化物固態(tài)電解質(zhì)：氧化物具有良好的循環(huán)性能，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu)。目前，氧化物鈉離子固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在以下兩種類型：Na-beta-Al2O3和NASICON型。Na-beta-Al2O3因其高的穩(wěn)定性、高的離子電導率和高的機械強度，已成功用于高溫Na-S和高溫Zebra電池中，工作溫度約300℃。
硫化物固態(tài)電解質(zhì)：硫化物電解質(zhì)性能優(yōu)異，具有較高離子電導率，但對環(huán)境要求較高，開發(fā)潛力大。目前，Na3PS4是研究最多的鈉離子硫化物固態(tài)電解質(zhì)之一，除此之外還有很多玻璃態(tài)的和玻璃—陶瓷復合態(tài)的鈉離子硫化物固體電解質(zhì)，通常表現(xiàn)出更高的離子電導率。
聚合物固態(tài)電解質(zhì)：聚醚類聚合物中，PEO因其安全性高，柔性好，低密度，良好的成膜性，低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和溶解多種鈉鹽的能力，被認為是一種優(yōu)異的聚醚類聚合物基體。其聚合物固態(tài)電解質(zhì)具有良好的柔性，利于加工，與現(xiàn)有的液態(tài)電池裝配設備兼容，可以做成多種形狀，使得固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)設計變得多樣化。
硼氫化鈉：具有獨特的物理和化學性質(zhì)，如高度形變性、密度小等優(yōu)點。
固態(tài)鈉離子電池面臨的挑戰(zhàn)
實現(xiàn)全固態(tài)鈉離子電池的實際應用面臨一些需要急需克服的問題。電極與固態(tài)電解質(zhì)界面、電解質(zhì)晶界、正極活性顆粒間空隙、正極活性顆粒與黏結(jié)劑或與導電劑間空隙、正極材料內(nèi)部晶界等導致固-固界面阻抗較大；充放電過程中電極的體積效應、電極活性顆粒碎裂、界面層破裂等形成的新界面也將增加電池界面阻抗、降低電池充放電效率和電池穩(wěn)定性；充放電過程中Na+在負極側(cè)不均勻沉積導致鈉枝晶生長是固態(tài)鈉離子電池循環(huán)性能惡化和電池短路的主要原因。
改善電極與固態(tài)電解質(zhì)界面阻抗、界面兼容性、枝晶生長和電極體積效應是固態(tài)鈉離子電池的瓶頸。目前，通常引入界面潤濕劑、SEI/ CEI層、界面柔性夾層或設計復合固體電解質(zhì)、復合電極材料、界面原位固化和設計新型電池結(jié)構(gòu)等方法來降低電極與固態(tài)電解質(zhì)界面阻抗并提高界面穩(wěn)定性和兼容性。低彈性模量的固態(tài)電解質(zhì)、充放電過程中體積變化小的活性材料、離子擴散路徑短的固態(tài)電解質(zhì)納米顆粒也將有助于提高固態(tài)鈉離子電池的穩(wěn)定性和電化學性能。
固態(tài)鈉電池兼具鈉離子電池、固態(tài)電池雙重優(yōu)勢，發(fā)展固態(tài)鈉電池的過程中需要考慮很多因素包括界面、能量和功率密度、安全問題等。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)和企業(yè)都希望爭取在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前，迅速搶占其市場制高點。我國鈉離子電池發(fā)展具備先發(fā)優(yōu)勢。目前，在材料和電池體系研發(fā)方面，以及產(chǎn)業(yè)化推進速度、示范應用與專利布局等方面，我們都處于國際前列。
參考來源:
1.楊冬榮、梁風等《全固態(tài)鈉離子電池及界面改性》
2.中國科學報 《青島能源所完成固態(tài)鈉離子電池組在低速電動車裝車示范》
3.康橋電池能源CamCellLab 《全固態(tài)鈉電池橫空出世！對比鋰離子電池優(yōu)勢在哪？》
4.樂普鈉電上海 《超越鋰電的嶄新未來，固態(tài)鈉電即將引領(lǐng)革命！》
5.儲能科學與技術(shù) 胡勇勝等《鈉離子固體電解質(zhì)材料研究進展》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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