新一代負(fù)極材料研發(fā)成功！鈉離子電池要面世了嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-27 15:16
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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫克寧團(tuán)隊(duì)在高倍率、長(zhǎng)循環(huán)鈉離子電池負(fù)極研究方面取得新的研究進(jìn)展。通過(guò)構(gòu)建介孔中空結(jié)構(gòu)并采用雜原子調(diào)控碳層間距，獲得了具有較高倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性的碳負(fù)極材料。該研究成果以《Heteroatom-Doped Mesoporous Hollow Carbon Spheres for Fast Sodium Storage with an Ultralong Cycle Life》為題在線發(fā)表在國(guó)際能源類頂級(jí)期刊《Advanced Energy Materials》（《先進(jìn)能源材料》，影響因子21.8）。本文的通訊作者為孫克寧教授及孫旺特別副研究員，第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生倪丹。
鈉離子電池與鋰離子電池相比具有資源豐富，價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，可以作為新一代儲(chǔ)能電池?？紤]到儲(chǔ)能電池應(yīng)用環(huán)境中可再生能源的間歇性及波動(dòng)性，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，開(kāi)發(fā)高倍率、長(zhǎng)循環(huán)性能的電極材料是鈉離子電池應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。碳負(fù)極材料由于其低成本及環(huán)境友好性，有較高的商業(yè)化前景。然而，在充放電過(guò)程中，由于鈉離子的離子半徑較大，會(huì)造成離子擴(kuò)散速率緩慢，還會(huì)產(chǎn)生較大的電極體積變化，導(dǎo)致電池的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性差，制約了碳材料的實(shí)際應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的高倍率、長(zhǎng)循環(huán)性能，需要碳電極材料具有快速的電子與離子傳導(dǎo)能力，并保證充放電后電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；為了半徑較大的鈉離子快速擴(kuò)散，需要對(duì)碳層間距進(jìn)行調(diào)控。
基于以上材料設(shè)計(jì)思路，孫克寧團(tuán)隊(duì)基于聚多巴胺表面涂覆技術(shù)及雜原子摻雜碳結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，制備了鈉離子電池負(fù)極材料——硫氮共摻雜的介孔中空碳球（SN-MHCSs），并對(duì)其儲(chǔ)鈉機(jī)制及循環(huán)后碳結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析。該研究表明：1.薄壁中空球形結(jié)構(gòu)，有利于離子和電子傳導(dǎo)，能夠緩沖充放電過(guò)程中的體積變化，碳球表面的介孔結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)電解液的擴(kuò)散及碳球內(nèi)表面的利用，較高的比表面積可以確保表面電容過(guò)程控制的快速鈉儲(chǔ)存。2.雜原子摻雜，能夠增大碳層層間距，促進(jìn)鈉離子的擴(kuò)散及存儲(chǔ)，增加電子導(dǎo)電性，提升容量。3.循環(huán)過(guò)程中，鈉離子的嵌入脫出能夠擴(kuò)大碳層間距，使碳層排布更加整齊，促進(jìn)鈉離子及電子的傳輸，帶來(lái)循環(huán)后電極容量上升。
本研究為高倍率、長(zhǎng)循環(huán)鈉離子電池負(fù)極材料的發(fā)展提供了新思路，這種結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于其他需要快速電子/離子傳輸、長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性的能源體系中。
但是，我國(guó)動(dòng)力蓄電池回收的一大優(yōu)勢(shì)就是退役電池分布地區(qū)較為集中。此前，為了推動(dòng)新能源汽車發(fā)展，科技部、財(cái)政部等多個(gè)部委聯(lián)合發(fā)起了“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”，計(jì)劃用3年左右的時(shí)間，每年發(fā)展10座城市，每座城市推出1000輛新能源汽車開(kāi)展示范運(yùn)行，并最終選出了3批共25座試點(diǎn)城市。因此，如今的退役動(dòng)力蓄電池也主要集中在深圳、合肥、北京等新能源汽車推廣力度較大的城市。
回收體系加快完善
2018年，工業(yè)和信息化部聯(lián)合科技部、生態(tài)環(huán)境部、交通運(yùn)輸部、商務(wù)部、市場(chǎng)監(jiān)管總局、能源局發(fā)布了《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，構(gòu)建回收利用管理機(jī)制，推動(dòng)建立回收利用體系。
為了明確溯源信息采集要求，新能源汽車國(guó)家監(jiān)測(cè)與動(dòng)力蓄電池回收利用溯源綜合管理平臺(tái)也上線運(yùn)營(yíng)。目前，已有393家汽車生產(chǎn)企業(yè)、44家報(bào)廢汽車回收拆解企業(yè)、37家梯次利用企業(yè)和42家再生利用企業(yè)加入平臺(tái)。
工業(yè)和信息化部還確定在京津冀、上海等17個(gè)地區(qū)，以及中國(guó)鐵塔公司開(kāi)展試點(diǎn)，積極培育標(biāo)桿企業(yè)，探索技術(shù)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、資源環(huán)境友好的多元化回收利用模式。北汽新能源、廣汽三菱等45家企業(yè)共設(shè)立了3204個(gè)回收服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)，主要集中在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角及中部新能源汽車保有量較高的地區(qū)。
“十城千輛工程”推廣期間退役動(dòng)力蓄電池約1.26萬(wàn)噸“十城千輛工程”推廣期間退役動(dòng)力蓄電池約1.26萬(wàn)噸
同時(shí)，汽車制造、電池生產(chǎn)及綜合利用等企業(yè)在備電、儲(chǔ)能等領(lǐng)域積極開(kāi)展梯次利用試驗(yàn)。總體來(lái)看，梯次利用市場(chǎng)潛力還是很大的，已成為行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)，部分企業(yè)正在梯次利用領(lǐng)域探索“以租代售”等新商業(yè)模式。
