鈉離子電池研究現(xiàn)狀

01研究背景

動(dòng)力電池是新能源汽車的能源儲(chǔ)存裝置，主要包括鋰離子電池、鈉離子電池、固態(tài)電池等多種類型。它們具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為了替代傳統(tǒng)燃油汽車動(dòng)力的關(guān)鍵技術(shù)。鈉離子電池是一種新型的可充電電池技術(shù)，其研究背景主要源于對(duì)鋰離子電池的改進(jìn)和發(fā)展需求。鋰離子電池作為目前廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的主流電池技術(shù)，具有高能量密度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。然而，鋰資源有限且分布不均，導(dǎo)致鋰離子電池的成本相對(duì)較高。此外，全球?qū)︿囐Y源的需求也持續(xù)增長(zhǎng)，可能面臨供應(yīng)瓶頸的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究人員開(kāi)始尋找替代鋰的電池材料，其中鈉是一個(gè)備受關(guān)注的候選者。鈉在地殼中的分布比鋰更為豐富，價(jià)格也相對(duì)較低，具有潛在的替代鋰的優(yōu)勢(shì)。相比于鋰離子電池，鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)如圖1所示。

圖1鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)

02鈉離子電池研究現(xiàn)狀

隨著鋰離子電池需求的增長(zhǎng)，對(duì)鋰資源的依賴度越來(lái)越高。由于地殼中儲(chǔ)量較少，需要尋找替代鋰離子電池的其他電池技術(shù)。鈉離子電池是一種備受關(guān)注的選擇，因?yàn)榈貧ぶ锈c資源豐富且分布均勻，并且鈉與鋰具有相似的化學(xué)性質(zhì)，因此可以借鑒鋰離子電池的成功經(jīng)驗(yàn)。

近年來(lái)，研究人員對(duì)鈉離子電池進(jìn)行了大量研究，并開(kāi)發(fā)了多種正負(fù)極材料和電解液體系。在正極方面，研究者們開(kāi)發(fā)了類似于鋰離子電池正極材料的層狀或隧道結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物、普魯士藍(lán)類正極材料以及聚陰離子型正極材料等。在電解液方面，研究者使用相應(yīng)的鈉鹽替代鋰鹽，開(kāi)發(fā)了以不同鈉鹽為溶質(zhì)，配合不同溶劑（如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯等）的多種電解液體系。同時(shí)，為了提高電池的安全性和電化學(xué)性能，研究者們還開(kāi)發(fā)了固態(tài)電解質(zhì)和其他新型電解液體系。

圖2正極中循環(huán)性能不穩(wěn)定的內(nèi)部機(jī)理

a）不可逆的相變. b）形態(tài)變化. c）循環(huán)后晶格彎折. d）相間不穩(wěn)定. e)空氣敏感性

負(fù)極研究方面，硬碳材料由于既可以通過(guò)裂解生物質(zhì)碳源制備，也可以通過(guò)裂解高分子聚合物獲得, 具有來(lái)源廣泛、無(wú)毒環(huán)保、儲(chǔ)鈉電位低和比容量較高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛研究。這些技術(shù)的開(kāi)發(fā)旨在提高鈉離子電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能，以滿足儲(chǔ)能領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的需求。

圖3 鈉離子在硬碳中儲(chǔ)存機(jī)理示意圖:

a)“插層-吸附”機(jī)制. b) “吸附-插層”機(jī)制. c) 硬碳的微觀結(jié)構(gòu)隨熱解溫度的變化的演變及對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)鈉機(jī)制和行為. d) 多孔碳孔結(jié)構(gòu)調(diào)整和閉孔儲(chǔ)鈉機(jī)制. e) 不同的鈉化階段的硬碳電極的非原位WAXS 曲線. f) 硬碳儲(chǔ)鈉的“吸附-插層-孔充填”機(jī)理.g)放電/充電到不同電壓的硬碳電極與質(zhì)子溶劑的化學(xué)反應(yīng). h) 完全鈉化的電極與乙醇反應(yīng)后產(chǎn)生的 H2的氣相色譜圖. i) 硬碳中鈉的穩(wěn)態(tài)示意圖

鈉離子電池的熱安全問(wèn)題也需要更多的關(guān)注。造成電池?zé)崾Э氐脑虮姸?，根?jù)起始的觸發(fā)條件，可以分為，機(jī)械濫用觸發(fā)、電濫用觸發(fā)和熱濫用觸發(fā)，機(jī)械濫用指的是鋰離子電池在使用過(guò)程中受到外力的作用，例如碰撞、擠壓而失效；電濫用一般是由于電池管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的；熱濫用則是由于溫度管理不當(dāng)，電池受到非正常的內(nèi)部或者外部加熱引起的。盡管三者的觸發(fā)方式不同，但是最終都會(huì)導(dǎo)致電池隔膜破裂，進(jìn)而引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

圖4 鈉離子電池研究現(xiàn)狀

03總結(jié)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)歸納，發(fā)現(xiàn)對(duì)鈉離子電池的研究主要集中在電極電解液材料的優(yōu)化改性上，其中涉及的性能衰減機(jī)制也僅僅停留在電極層面，并沒(méi)有在循環(huán)中，定量地建立起鈉離子電池的性能衰減老化機(jī)制。對(duì)于不同材料體系的SIB，也沒(méi)有對(duì)不同老化路徑的性能衰減演化，尤其是熱失控特性演化規(guī)律的相關(guān)研究。然而，深入研究性能衰減機(jī)制和熱失控機(jī)理，有助于提高鈉離子電池的性能和安全性，推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用和推廣，對(duì)于推動(dòng)能源存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)化電池設(shè)計(jì)和提高安全性具有重要的作用。此外，研究鈉離子電池在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用中的系統(tǒng)集成與設(shè)計(jì)也是未來(lái)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。其中包括電池模型的建立、電池狀態(tài)估計(jì)和控制策略的開(kāi)發(fā)，以優(yōu)化電池的性能和實(shí)現(xiàn)可靠的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅