鈉離子電池有哪些優(yōu)勢(shì)？它的工作原理又是怎樣的？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-03 16:10
點(diǎn)擊量：次
鈉與鋰屬于同一主族，許多理化性質(zhì)比較相似，也決定了鈉離子電池研發(fā)的可能性。與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有2大優(yōu)勢(shì)：一是原料成本低，不使用鋰、鈷等高價(jià)稀有金屬，鈉最大的優(yōu)點(diǎn)是在海水等資源中含量豐富，是“取之不盡”的元素;二是可以沿用現(xiàn)有的生產(chǎn)工序，鈉離子電池的工作機(jī)制與鋰電池相同，電池企業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備可以直接用來(lái)生產(chǎn)鈉離子電池，因?yàn)榛静恍枰O(shè)備投資，所以各家企業(yè)很容易將其作為替代電池開(kāi)展生產(chǎn)。鈉離子電池發(fā)展到目前所面臨的最大問(wèn)題是能量密度和功率密度偏低，這也是限制其未來(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的最大問(wèn)題。
鈉離子電池正極材料的結(jié)構(gòu)和性能
對(duì)于鈉離子電池而言，在正極材料方面的研究可謂是百家爭(zhēng)鳴。正極材料不僅是提高鈉離子電池性能的戰(zhàn)場(chǎng)，也是限制鈉離子電池成本的一大瓶頸。要實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用，就必須發(fā)展能夠替代Ni或Co的活性元素及其穩(wěn)定的新型電極材料。
1.橄欖石型NaFePO4
鑒于磷酸鐵鋰LiFePO4在鋰離子電池中的大規(guī)模應(yīng)用，磷酸鐵鈉NaFePO4自然是被優(yōu)先考慮的鈉離子電池正極材料。橄欖石結(jié)構(gòu)的NaFePO4在所有磷酸鹽類鈉離子電池正極材料中理論比容量最大，為154mAh/g，如表1所示。在NaFePO4中，Na+占據(jù)4(c)的Wychoff位置，F(xiàn)e2+占據(jù)4(a)位置，與橄欖石型LiFePO4類似，其晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。Oh等[1]研究發(fā)現(xiàn)Na/NaFePO4半電池的工作電壓為2.7V，在0.05C充放電倍率和0.5C充放電倍率下，比容量分別穩(wěn)定在125mAh/g和85mAh/g，循環(huán)50圈后，XRD結(jié)果表明其橄欖石結(jié)構(gòu)仍然良好，說(shuō)明該材料在嵌鈉脫鈉過(guò)程中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
目前常見(jiàn)合成Na3V2(PO4)3的方法包括固相法、溶膠-凝膠法、水熱法、碳熱還原法等。其中最常見(jiàn)的為高溫固相法，此方法雖然操作簡(jiǎn)單，但是溫度控制較為麻煩。另外，該方法制備周期較長(zhǎng)，無(wú)法控制材料顆粒尺寸，制備出的材料結(jié)塊現(xiàn)象較為明顯，對(duì)材料的性能影響較大。
溶膠-凝膠法可以實(shí)現(xiàn)原材料分子級(jí)水平的混合。溶液是由直徑1～100nm的膠體粒子分散在溶液中形成的，形成凝膠后在前驅(qū)體溶液中具有獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得制備的產(chǎn)物粒度分布均勻，粒徑小且分布均勻。但該方法制備周期較長(zhǎng)，操作復(fù)雜，影響因素較多，因此難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
鈉離子電池與鋰離子電池具有相似的工作原理，但鋰離子電池的發(fā)展相對(duì)較為成熟。目前，借鑒鋰離子電池正極的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制備相應(yīng)的鈉離子電池正極材料成為一種主要研究方法，并在一定程度上展現(xiàn)了較好的電池性能。但是，鈉離子電池在發(fā)展的過(guò)程中也存在幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決：第一，鈉離子電池是一種有別于鋰離子電池的電池體系，借鑒鋰離子電池正極材料來(lái)開(kāi)發(fā)鈉離子電池正極材料是一種捷徑，目前已知的鈉離子電池正極材料或多或少都會(huì)存在一定的問(wèn)題，尋找新的具有高能量密度和功率密度的鈉離子電池正極材料，才是提高鈉離子電池性能的重要途徑，也是使鈉離子電池早日應(yīng)用到大規(guī)模儲(chǔ)能的關(guān)鍵。第二，通過(guò)摻雜金屬離子和導(dǎo)電劑，控制顆粒粒徑以及開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單高效的合成方法，也會(huì)對(duì)正極材料的電化學(xué)性能產(chǎn)生非常顯著的改觀。第三，開(kāi)發(fā)具有與正極材料相匹配的負(fù)極材料、電解液和隔膜，也是鈉離子電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之前亟待解決的問(wèn)題。
鈉離子電池正極材料的結(jié)構(gòu)和性能
對(duì)于鈉離子電池而言，在正極材料方面的研究可謂是百家爭(zhēng)鳴。正極材料不僅是提高鈉離子電池性能的戰(zhàn)場(chǎng)，也是限制鈉離子電池成本的一大瓶頸。要實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的實(shí)際應(yīng)用，就必須發(fā)展能夠替代Ni或Co的活性元素及其穩(wěn)定的新型電極材料。
1.橄欖石型NaFePO4
鑒于磷酸鐵鋰LiFePO4在鋰離子電池中的大規(guī)模應(yīng)用，磷酸鐵鈉NaFePO4自然是被優(yōu)先考慮的鈉離子電池正極材料。橄欖石結(jié)構(gòu)的NaFePO4在所有磷酸鹽類鈉離子電池正極材料中理論比容量最大，為154mAh/g，如表1所示。在NaFePO4中，Na+占據(jù)4(c)的Wychoff位置，F(xiàn)e2+占據(jù)4(a)位置，與橄欖石型LiFePO4類似，其晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。Oh等[1]研究發(fā)現(xiàn)Na/NaFePO4半電池的工作電壓為2.7V，在0.05C充放電倍率和0.5C充放電倍率下，比容量分別穩(wěn)定在125mAh/g和85mAh/g，循環(huán)50圈后，XRD結(jié)果表明其橄欖石結(jié)構(gòu)仍然良好，說(shuō)明該材料在嵌鈉脫鈉過(guò)程中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
目前常見(jiàn)合成Na3V2(PO4)3的方法包括固相法、溶膠-凝膠法、水熱法、碳熱還原法等。其中最常見(jiàn)的為高溫固相法，此方法雖然操作簡(jiǎn)單，但是溫度控制較為麻煩。另外，該方法制備周期較長(zhǎng)，無(wú)法控制材料顆粒尺寸，制備出的材料結(jié)塊現(xiàn)象較為明顯，對(duì)材料的性能影響較大。
溶膠-凝膠法可以實(shí)現(xiàn)原材料分子級(jí)水平的混合。溶液是由直徑1～100nm的膠體粒子分散在溶液中形成的，形成凝膠后在前驅(qū)體溶液中具有獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得制備的產(chǎn)物粒度分布均勻，粒徑小且分布均勻。但該方法制備周期較長(zhǎng)，操作復(fù)雜，影響因素較多，因此難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
鈉離子電池與鋰離子電池具有相似的工作原理，但鋰離子電池的發(fā)展相對(duì)較為成熟。目前，借鑒鋰離子電池正極的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制備相應(yīng)的鈉離子電池正極材料成為一種主要研究方法，并在一定程度上展現(xiàn)了較好的電池性能。但是，鈉離子電池在發(fā)展的過(guò)程中也存在幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決：第一，鈉離子電池是一種有別于鋰離子電池的電池體系，借鑒鋰離子電池正極材料來(lái)開(kāi)發(fā)鈉離子電池正極材料是一種捷徑，目前已知的鈉離子電池正極材料或多或少都會(huì)存在一定的問(wèn)題，尋找新的具有高能量密度和功率密度的鈉離子電池正極材料，才是提高鈉離子電池性能的重要途徑，也是使鈉離子電池早日應(yīng)用到大規(guī)模儲(chǔ)能的關(guān)鍵。第二，通過(guò)摻雜金屬離子和導(dǎo)電劑，控制顆粒粒徑以及開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單高效的合成方法，也會(huì)對(duì)正極材料的電化學(xué)性能產(chǎn)生非常顯著的改觀。第三，開(kāi)發(fā)具有與正極材料相匹配的負(fù)極材料、電解液和隔膜，也是鈉離子電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之前亟待解決的問(wèn)題。
