叫板鋰離子電池,鈉離子電池有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)
發(fā)布時(shí)間:2017-04-27 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】電池需求量大,如果全用鋰離子電池,存在兩個(gè)問(wèn)題:鋰的資源問(wèn)題和循環(huán)利用問(wèn)題。所以在鋰電池之后,我們還有新的選擇。這就涉及到用什么樣的電池體系,用什么樣的材料。基于這種考慮,我們能不能找出儲(chǔ)量更豐富,材料更便宜的體系呢,最后我們選擇了鈉離子電池。
首先,我們來(lái)說(shuō)一下為什么要開(kāi)發(fā)鈉離子電池。我國(guó)的電池主要應(yīng)用在三大產(chǎn)業(yè),即電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能和消費(fèi)電子。圍繞這三個(gè)方向,尤其近幾年電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展迅速,主打是鋰離子電池。動(dòng)力電池在2015年增長(zhǎng)了80%左右,而在2016年已經(jīng)突破了30GWh,隨之而來(lái)的就是鋰電池的廢棄和循環(huán)問(wèn)題凸顯,而且鋰的資源也有限。與此同時(shí),儲(chǔ)能也是目前發(fā)展很快的產(chǎn)業(yè),尤其微電網(wǎng)方面會(huì)有大量的儲(chǔ)能需求,到2020年,預(yù)計(jì)儲(chǔ)能可以比2015年增長(zhǎng)3倍。這么大量的電池需求,如果全用鋰離子電池的話,存在兩個(gè)問(wèn)題:一個(gè)是鋰的資源問(wèn)題,一個(gè)是鋰的循環(huán)利用問(wèn)題。所以在鋰電池之后,我們還有新的選擇。這就涉及到用什么樣的電池體系,用什么樣的材料?;谶@種考慮,我們能不能找出儲(chǔ)量更豐富,材料更便宜的體系呢,最后我們選擇了鈉離子電池。
對(duì)于鈉離子電池我們關(guān)注的焦點(diǎn),一個(gè)是成本要低,正極材料要去鋰脫鈷,不用鋰離子,也不用成本較高的鈷原料;第二是在電動(dòng)車和儲(chǔ)能方面都要求電池壽命要長(zhǎng);第三是安全性要好;最后是能量密度要比較合適。
鈉離子電池和鋰離子電池的反應(yīng)機(jī)理相近,正極材料除了磷酸鹽或氟化磷酸鹽以外,還可以用鎳錳層狀過(guò)渡金屬氧化物。在負(fù)極材料方面可選擇碳類、合金和化合物。在三大類負(fù)極材料中,我們還是選擇最便宜的碳材料。我們對(duì)于負(fù)極碳材料又進(jìn)行了軟碳、硬碳和石墨烯三個(gè)分類的研究。
我們最近的一些研究成果,其中一個(gè)是采用層狀結(jié)構(gòu)Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作正極材料。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和比較,在制備正極原材料的使用上,我們認(rèn)為使用醋酸鹽或草酸鹽更好。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,正極材料如果只用鎳錳氧化物,它的循環(huán)性能和充電到高電位時(shí)的穩(wěn)定性較差。所以有文獻(xiàn)報(bào)道可以用鎂摻雜,替代鎳位,這樣的話期待它的容量可以更高,這種方法對(duì)于獲得高能量密度的鈉離子電池是很有幫助的。除了鎂以外,其他摻雜的元素可不可以呢?我們選擇與替代元素離子半徑相近的元素做摻雜,比如替代鎳位,我們選了鋯(Zr)離子和銅(Cu)離子進(jìn)行摻雜。材料摻雜后與摻雜前電化學(xué)性能和循環(huán)性能都有提高,Zr摻雜和Cu摻雜相比,Cu摻雜的循環(huán)穩(wěn)定性更好。
負(fù)極方面,由于軟碳材料處理的方法比較多,我們嘗試了用磷摻雜軟碳。摻雜磷后放電容量可以提高30%以上,循環(huán)特性好。為什么摻磷后材料性能提高呢?這是由于摻磷后可以增加鈉吸附的活性點(diǎn)。在傳統(tǒng)的嵌入反應(yīng)之外,還多了一些鈉離子吸附的活性點(diǎn)位。另外,在硬碳方面,我們選用了椰殼、杏殼等生物質(zhì)材料,通過(guò)處理,最終獲得硬碳材料。通過(guò)拉曼分析可以發(fā)現(xiàn),這些材料是短層有序、長(zhǎng)層無(wú)序的結(jié)構(gòu),微晶的層間距較大,適合鈉離子嵌入。通過(guò)循環(huán)實(shí)驗(yàn)可以看到,經(jīng)過(guò)200次循環(huán),容量基本沒(méi)有衰降,循環(huán)穩(wěn)定性很好。由此可見(jiàn),這些生物質(zhì)材料是很好的廉價(jià)的鈉離子電池負(fù)極材料。再有,對(duì)于石墨烯負(fù)極我們也做了研究。石墨烯材料最大的問(wèn)題是密度比較低,將來(lái)能不能做成高體積比能量的電池還是問(wèn)題。所以可以考慮將石墨烯和其他負(fù)極材料如硬碳、軟碳,以及化合物類或合金類材料進(jìn)行復(fù)合。
我們做了1.5Ah和0.5Ah兩種軟包全電池,正極材料采用前面提到的鎳錳氧化物,負(fù)極采用生物質(zhì)的硬碳材料,經(jīng)300次循環(huán)后容量衰降為15%。由此可見(jiàn),鈉離子電池用廉價(jià)材料是可以制備的,而且電性能良好。
小結(jié),鈉離子電池正極材料,我們對(duì)鎳錳氧化物進(jìn)行了摻雜,來(lái)提高它的電性能。負(fù)極材料里邊我們研究了硬碳、軟碳和石墨烯三種材料。對(duì)軟碳進(jìn)行磷的摻雜,可以提高容量;硬碳材料循環(huán)穩(wěn)定性較好;石墨烯容量較高,但首效較低。最后,我們期待基于廉價(jià)材料制備的鈉離子電池在能量密度上接近或超過(guò)磷酸鐵鋰電池,在電動(dòng)車和儲(chǔ)能方面得到應(yīng)用。
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