钠离子电池硬碳负极储钠机理及优化策略

钠离子电池因具有成本低、安全性高等优势, 被认为是一种非常适合应用于大规模储能领域的电化学储能技术. 合适的负极材料是促进钠离子电池实现商业化的关键之一. 硬碳材料由于具有丰富的碳源、低成本、无毒环保, 且储钠电位低而被认为是最可能被实用化的钠离子电池负极材料. 然而硬碳负极的实际应用中也面临着首周库伦效率低、长循环稳定性不足以及倍率性能较差等问题, 近年来众多研究者致力于硬碳负极的性能优化研究, 本Review从结构调控、形貌设计、界面构造、电解液优化四方面总结了近年来钠离子电池硬碳负极的性能优化策略研究进展, 分析了每种优化策略的优点和不足, 并进一步讨论了钠离子电池硬碳负极实用化进程中面临的瓶颈问题和挑战.     

钠离子电池碳负极材料的研究进展

钠离子电池具有资源丰富和成本低等优势,在大规模储能领域受到广泛的关注.开发具有高比容量和长循环稳定性的电极材料是钠离子电池走向应用的关键.碳材料作为钠离子电池的负极材料,具有可调控性高与稳定性好等优势,具有应用潜力.目前,研究较为广泛的碳材料主要包括石墨、无定形碳、杂原子掺杂碳、生物质合成碳,但这些碳负极材料存在着钠-石墨化合物热力学不稳定、较大的体积变化以及初始库伦效率低等问题,制约了钠离子电池的发展与广泛应用.通过对碳材料的结构进行修饰改性及将其与电解液进行匹配,可以有效提升其储钠性能.本文对这几类碳材料的结构特点、电化学性能、储钠机理、面临的问题、改进方法以及商业化前景进行总结,为钠离子电池碳负极材料的发展提供新见解.     

钠离子电池用生物质基硬碳的研究进展

生物质基硬碳具有原材料资源丰富、可持续、成本低和储钠容量高等特点,是钠离子电池的理想负极材料。生物质基硬碳材料的微结构是决定钠离子存储性能的关键。本综述回顾了硬碳负极对钠离子存储机理的研究现状。从生物质原料的角度,分类总结了高性能生物质基硬碳材料的制备方法。探讨了生物质基硬碳结构的调控与钠离子存储性能提升的关系,对钠离子电池用生物质基硬碳负极材料的研究方向进行了展望。     

室温钠离子电池关键材料研究进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、价格低廉在大规模储能领域有着重要应用前景. 然而,钠离子相对锂离子较大的半径和质量限制了它在电极材料中的可逆脱嵌,导致其电化学性能不佳. 因此研发稳定、高效储钠的高比能电极材料是钠离子电池实用化的关键. 另外,进一步优化与电极材料相匹配的电解质来实现高安全、长寿命钠离子电池的构建,推动其商业化进程,也是迫切需要解决的问题. 本文主要对室温钠离子电池关键材料（包括正极、负极和电解质材料）的研究进展进行简要综述,并探讨了其面临的困难及可行的解决方案,为钠离子电池的发展提供一定参考依据.     

钠离子电池用碳负极材料研究进展

相较于目前主流的锂离子电池,钠离子电池成本相对较低,因而有望在未来大规模储能系统中获得重要应用,然而其实用化进程仍受制于缺少合适的正负极材料,特别是性能优异且实用化的负极材料.钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理,但钠离子和锂离子在碳负极材料中的储存行为却有着很大的不同.总体而言,碳材料仍是目前最有望促进钠离子电池实用化的关键负极材料.本文系统总结并分析了目前已有碳材料中钠离子的储存机制,对负极材料的设计思路和研究进展进行了概述,着重阐述了商用化碳分子筛在钠离子电池中的实用化前景.最后,本文对钠离子电池中碳负极材料的未来发展方向进行了展望.     

钠离子电池炭基负极材料研究进展

钠离子电池是目前新兴的低成本储能技术,因在大规模电化学储能中具有较好的应用前景而受到了国内外学者广泛的关注与研究。作为钠离子电池的关键电极材料之一,非石墨的炭质材料因具有储钠活性高、成本低廉、无毒无害等诸多优点,而被认为是钠离子电池实际应用时负极的最佳选择。本文详细综述了目前钠离子电池炭基负极材料的研究进展,重点介绍了炭质材料的储钠机理与特性,分析了炭材料结构与电化学性能之间的关系,探讨了其存在的问题,为钠离子电池炭基负极材料的发展提供有益的认识。     

电化学储钠材料的研究进展

大规模储能的二次电池不仅需要具有适宜的电化学性能,更需考虑资源、成本和环境效益等应用要求. 锂离子电池储能的大规模应用也将受到制约. 从资源与环境方面考虑,钠离子电池作为储能电池更具应用优势. 然而,从目前的技术现状来看,几类不同的嵌钠正极材料虽显现出可观的嵌钠容量与较好的循环性,但能量密度与功率密度尚待提高. 硬碳材料和合金负极最有希望用于钠离子电池,这类材料的初始充放电效率和循环稳定性仍有待改善. 本文简要分析了锂离子电池与钠离子电池在材料要求方面的差异,回顾了近年来钠离子电池材料探索中的突破性进展,并主要结合本课题组的研究工作讨论了钠离子电池及其关键材料的发展方向.     

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

锑(Sb)具有高的理论比容量、较小的电极极化、合适的Na⁺脱嵌电位、价格低廉以及环境友好的优势,而成为一种具有较大应用前景的钠离子电池负极材料。但是,Sb基负极材料的一个重要挑战是在循环过程中高比容量伴随着大的体积变化,进而导致活性材料粉化,并从集流体上脱落,这大大限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。因此,如何解决Sb基负极材料充放电过程中体积膨胀问题对于高性能的钠离子电池设计是至关重要的。本文详细综述和讨论了Sb基材料的结构-性能关系及其在钠离子电池中的应用,详细介绍了钠离子电池Sb基负极材料在氧化还原反应机理、形貌设计、结构-性能关系等方面的最新研究进展。本综述的主要目的是探讨影响Sb基负极材料性能的决定因素,从而提出有前途的改性策略,以提高其可逆容量和循环稳定性。最后,对Sb基钠离子电池负极材料的未来发展、面临的挑战和前景进行了展望。本文可为Sb负极材料的构建和优化提供具体的观点,阐明了Sb基负极材料未来的发展方向,从而促进钠离子电池的快速发展和实际应用。     

钠离子电池合金化负极材料研究及应用进展

钠离子电池凭借钠资源丰富、分布广泛、价格低廉的优势在大规模储能领域具有重要的应用前景,可与锂离子电池形成优势互补.负极材料是电池化学的关键组成,其能量密度、使用寿命等直接影响着电池性能.合金化材料具有理论比容量高、工作电压适宜等优势,被认为是一类有应用潜力的储钠负极.然而,这类材料发生合金化反应时体积膨胀严重,电极材料易粉化脱落,造成电化学稳定性欠佳.目前,主要通过材料微纳结构设计、界面化学调控、碳材料复合、表面包覆、电解液优化等方法来改善其电化学性能.本文综述了合金化负极材料的最新研究进展,探讨了其发展面临的瓶颈以及解决方案,介绍了基于合金化负极的钠离子全电池构筑策略和应用实例,为高性能钠离子电池的发展提供一定参考依据.     

硬碳作为钠离子电池负极材料的研究进展

硬碳由于具有来源广泛、制备简单、稳定性好等优势而成为钠离子电池负极材料的理想选择之一。从硬碳的来源、合成方法、孔结构和杂原子掺杂等4个方面对硬碳负极材料在近5年的发展进行了概述。     

钠离子电池无机负极材料的研究进展

钠离子电池由于资源丰富、成本低廉等优点备受关注,并有望在大规模储能中得到应用.近年来,负极材料作为钠离子电池的关键要素已经取得很多重要进展.负极材料的研究主要集中于无机材料,包括碳材料、合金化材料和钛基材料等.但由于钠离子半径较大、材料的体积变化大和动力学缓慢等问题,使得材料的电化学性能欠佳.目前,通过调控材料结构及其与电解液的匹配效应等手段可有效提升电化学性能.本文系统总结了这几类无机材料的最新研究进展,探讨了目前存在的主要问题及解决策略,并对负极材料的发展进行了展望.     

中空碳材料用于钠离子电池负极的研究进展

实现钠离子电池等储能设备的大规模应用对于能源的可持续发展以及完成“碳达峰碳中和”目标具有重要意义.开发高性能的负极材料可提升钠离子电池的能量密度和循环稳定性,是实现钠离子电池大规模应用的关键性因素.中空碳材料因其独特的结构而具有优异的倍率性能与循环稳定性,作为钠离子负极材料具有广阔的应用前景.本文从多角度出发,综合评述了中空碳材料的合成方法,以及其形貌、杂原子修饰策略与储钠性能之间的关系,并对其未来发展方向进行了展望.     

静电纺丝在钠离子电池中的应用研究进展

钠离子电池具有与锂离子电池相似工作机理,因其原料资源丰富,是一种极具应用前景的新一代储能设备.然而,钠离子电池面临着电极材料体积膨胀过大、钠离子传输动力学较慢和能量密度偏低等问题,阻碍了其实用化.静电纺丝技术合成的一维钠离子电池电极材料,可通过形貌调控或碳复合方式有效缓冲储钠过程中电极的体积膨胀,而且具有连续的电子传递和较短的离子传输路径,从而改善钠离子传输动力学,以提高电池倍率性能.通过电纺还可简便地制备直接用于钠离子电池的柔性纤维膜来提高电池的能量密度.综述了静电纺丝技术制备钠离子电池材料的研究进展,主要包括正极和负极材料,对今后静电纺丝在钠离子电池中的发展进行了展望.     

钠离子电池:储能电池的一种新选择

钠离子电池在20世纪70年代末80年代初得到关注,但因锂离子电池优异的电化学性能而没有得到广泛研究.随着电动汽车、智能电网时代的到来,锂资源短缺将成为制约其发展的重要因素.因此,亟需发展下一代综合性能优异的储能电池体系.钠和锂具有相似的物化性质,且钠资源丰富,成本低廉,是非常有发展潜力的电池体系,近年来得到了国内外研究人员的广泛关注.简要综述了近年来钠离子电池的研究成果,就层状Nax MO2(M=Co,Ni,Fe,Mn,V等)材料、聚阴离子型材料、金属氟化物等正极材料及碳基负极材料、合金和金属氧化物等负极材料的电化学性能进行了介绍,阐述了有机体系电解质和凝胶电解质在钠离子电池中的应用,并对其存在的问题以及未来发展方向作了探讨.     

钠离子电池关键材料研究及应用进展

钠离子资源丰富,分布广泛,价格低廉,因而钠离子电池被认为是下一代大规模储能技术的理想选择之一. 然而,钠离子较大的半径和质量不利于它与电极材料的可逆反应. 开发能够快速、稳定储钠的基质材料是提升钠离子电池性能的关键之一. 此外,如何合理地优化电解质,匹配正负极材料,以实现高性能、高安全、低成本钠离子全电池的构建,切实将其推向市场,也是亟待解决的问题. 本文综述了国内外钠离子电池关键材料（包括正极材料、负极材料和电解质）的研究进展,介绍了一些具有代表性的钠离子全电池实例. 对钠离子电池的基础研究和实际应用具有一定参考价值和借鉴意义.     

钠离子电池负极材料

钠离子电池具有钠资源丰富和成本低廉等特点,吸引了国内外研究者的广泛关注,被认为是今后在规模储能领域可能替代锂离子电池的最佳候选。近几年钠离子电池的研究相继取得了重要进展,研究体系不断丰富。本文对钠离子电池负极材料的研究现状进行了详细的综述,重点介绍了碳基材料、合金材料、非金属单质、金属氧化物以及有机化合物等嵌钠性能及可能的嵌钠机理。探讨了这些材料目前所面临的主要问题及可能的解决策略,并对钠离子电池今后的研究方向和应用前景进行了展望。     

普鲁士蓝及其类似物作为钠离子电池正极材料的研究进展

普鲁士蓝及其类似物具有独特的开放框架结构、丰富的储钠位点及较大的钠离子迁移通道,是最有商业化前景的钠离子电池正极材料之一.该类材料主要是利用共沉淀法或单一铁源自分解的方法合成.其超低的沉淀溶解平衡常数导致该类材料在制备过程中极易产生晶格缺陷和结晶水,造成比容量低、倍率能力欠佳和长期稳定性差.本文主要介绍了普鲁士蓝及其类似物材料的结构特征及其电化学特性,综述了该类材料的制备和改性方法,并对其作为钠离子电池正极材料的发展进行了展望.这一综述将推动普鲁士蓝材料在钠离子电池中的进一步研究,尤其是其新兴商业化进展.     

锑基钠离子电池负极材料的研究进展

钠离子电池由于具有能量密度高和钠资源丰富等优点而被认为是锂离子电池最有希望的替代品之一。合金型材料锑的理论容量高,氧化还原电位合适,是近年来钠离子电池负极材料的研究热点之一。本文主要介绍了锑单质、锑/碳复合材料、锑合金、锑的氧化物、锑的硫化物以及锑的其他复合物等锑基钠离子电池负极材料的研究现状。     

铅炭电池负极炭材料的作用机制研究进展

传统铅酸电池主要应用于汽车及各种内燃机的起动和无线通信基站,但其在部分荷电态下负极易硫酸盐化而失效,降低了电池的受充能力及循环寿命. 铅炭电池是将高比表面、高导电的炭材料掺入铅负极的新型铅酸电池,具有优异的高倍率充放电性能及较高的部分荷电态下的循环寿命,在储能与混合动力车方面有很好的应用前景. 近年来国内外竞相开展了炭材料作用机制的研究,本文从构建导电网络、增加双电层电容储能、改善孔洞结构以及提高电化学反应动力等方面对炭材料在铅炭电池上的作用机制进行阐述,并结合作者课题组在铅炭电池领域的研发工作进行展望.     

不同类型碳结构的储钠反应机理分析

由于具有丰富资源和可期的成本优势,钠离子电池已成为大规模储能电池领域的研究热点.类似于锂离子电池负极,碳材料是研究最为广泛的储钠负极材料.然而碳材料的种类繁多,且不同处理条件下其结构也多样,从而造成储钠性能的差异,甚至产生有争议的储钠机制.为了梳理碳结构与其储钠反应行为的关系,本文综合分析了不同种类碳材料的结构特征及储钠行为,讨论了可能存在的电化学机理,对一些尚存争议的地方提出可能的辨析途径,为发展高性能碳基储钠材料提供借鉴思路.