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,本综述从结构调控、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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

凝胶电解质软包钠离子电池的研究

近年来,钠离子电池因其在成本和低温性能方面具有独特优势而被广泛关注.由于层状氧化物正极与锂离子电池三元正极材料类似的制备工艺被率先推出,并将其与硬碳负极搭配组建钠离子电池.但是,由于钠离子电池层状氧化物残碱高、稳定性欠缺,在长循环过程中易引发电解液氧化分解而导致电芯产气,限制了软包钠离子电池的应用.本文采用凝胶电解质策略构建了凝胶电解质软包钠离子电池,并研究了该电池的电化学性能.结果表明,凝胶电解质对抑制电芯循环产气有显著作用,同时可以提高电芯的安全性能.     

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。     

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。     

碳包覆Ti_2Nb_2O_9纳米片的制备及其储钠性能

具有两种不同阳离子的二元金属氧化物在钠离子电池中可发生可逆的多电子反应,是一类非常具有应用前景的高容量负极材料。在本项工作中,通过离子交换法和化学剥离法得到HTiNbO_5纳米片,采用水热法将其与蔗糖复合再经由后续热处理得到碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片材料。碳包覆的Ti_2Nb_2O_9纳米片可用作钠离子电池的负极材料,具有更高的电子导电性和多的反应活性点以及快速的离子传输通道,在50 m A?g~(-1)的电流密度下具有265.2 m Ah?g~(-1)的可逆容量。在0.5A?g~(-1)的大电流密度下,循环200圈之后比容量为160.9 m Ah?g~(-1) (容量保持率75.3%)。研究结果表明Ti_2Nb_2O_9/C纳米片在钠离子电池中具有出色的充放电性能和循环稳定性,为钠离子电池负极材料提供了可行的新选择。     

中空核壳结构Ni1.2Co0.8P@N-C钠离子电池负极材料的制备及拉曼研究

本文设计制备了一种新型的氮掺杂碳包覆镍钴双金属磷化物中空核壳结构纳米立方体(Ni_1.2Co_0.8P@N-C)作为钠离子电池负极材料. 该材料以镍钴类普鲁士蓝(PBA)纳米粒子为模板,先后经水热法、磷化法和高温碳化处理后合成. 将其作为活性材料应用在钠离子电池中,该材料展现出优异的循环稳定性,当以100 mA·g^-1的电流密度循环至200圈时,该材料的库仑效率保持在99.3%. 进一步通过对不同电位下Ni_1.2Co_0.8P@N-C材料中的氮掺杂碳进行原位拉曼光谱测试,结果显示钠离子在氮掺杂的碳壳中的脱嵌行为具有较大程度的可逆性,研究结果对钠离子电池充放电过程的后续电化学研究提供了有价值的信息.     

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.     

铅碳电池关键材料研究进展

铅酸电池极板活性物质比表面积低,在部分荷电态高倍率充放电的条件下负极易硫酸盐化而失效,铅碳电池是将高比表面积、高电导率的碳材料引入铅酸电池的负极活性物质中,抑制硫酸铅晶体的粗化.因此,铅碳电池具有充放电性能好、循环寿命长等优势,但碳材料析氢过电位低,导致析氢反应加剧,且密度远低于铅,导致和膏不均匀.随着碳材料的增多,负...     

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.     

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。     

二次离子电池高比容量负极碳载体的研究进展

二次离子电池商业化负极石墨的比容量已接近理论比容量. 合金型负极和金属负极因具有高比容量而受到广泛关注, 但其循环性能差和安全性问题限制了实际应用, 据此提出载体设计策略. 碳材料具有来源广泛、 易于调控等特性, 常用作二次离子电池高比容量负极的载体. 本文从碳载体的孔结构、 比表面积、 电子导电率、 离子导电率、 杂原子掺杂和界面修饰的角度出发, 综述了其在硅基、 磷基、 锗基、 锡基负极以及金属锂、 钠等负极中的研究进展, 展望了碳载体的发展前景和方向.     

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。     

新型石墨化氮化碳/锡/氮掺杂碳复合物的制备及储钠性能

钠离子电池锡负极因具有较高的理论容量(847 mA·h/g)、 高电导率和合适的工作电位而备受关注. 但锡基负极材料在循环过程中会发生巨大的结构变化, 进而导致活性材料粉化失活和比容量的快速下降. 本文成功制备了基于石墨氮化碳(g-C₃N₄)、 聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)和Sn纳米颗粒的复合物(g-C₃N₄/Sn/NC), 其中Sn纳米颗粒包埋在石墨氮化碳和氮掺杂碳中. 在此多层分级结构中, g-C₃N₄和NC的引入可以显著加速电子/离子的传输及电池反应动力学, 从而有助于Sn和钠离子之间的合金化反应; 此外, 这种复合结构有助于保持电极材料的结构稳定性, 进而可以获得优异的储钠性能. 作为钠离子电池负极材料, g-C₃N₄/Sn/NC在0.5 A/g电流密度下经历100次循环, 可逆容量可以达到450.7 mA·h/g; 在1.0 A/g电流密度下, 比容量为388.3 mA·h/g; 此外, 在1.0 A/g电流密度下, 经过400次循环后其比容量依旧能达到363.3 mA·h/g.     

锂离子电池锡-金属-碳复合负极材料

石墨作为锂离子电池的负极材料已经使用了很长时间。但由于其嵌锂容量低,已不能满足动力电池快速发展的需求。而锡可以与锂形成合金,有可能取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但是单纯的金属锡在电池循环过程中发生巨大的体积变化,容易导致电极材料的粉化。而碳材料具有较高的导电性,良好的机械性能和储锂性能。为了充分发挥金属锡和碳材料的优势,锡-碳(Sn-C)复合材料得到了广泛研究。本文详细介绍了无定型碳、石墨(G)、石墨烯(GP)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)等碳材料作为惰性的导电基体与锡形成的二元复合物,阐述了锡与其它金属(M)形成的碳基三元、多元复合物的结构和性能。通过总结近些年对锡碳复合物结构与性能的研究,相信多元复合和多种结构的应用是提高锡-碳复合负极材料的关键。其中,以Sn-Co-C为基础的多元复合负极材料最有可能走向市场应用。