钜大LARGE | 点击量：554次 | 2023年07月13日
美国研发可与锂离子电池串联使用的钠离子电池 钠电池真的能替代锂离子电池吗？
钠离子电池是锂电池的潜在替代品，但阳极（带正电的电极）在锂离子电池上很好地工作，不能提供与钠离子电池相同的性能。缺乏晶体结构的无定形碳已知是有用的阳极，因为它具有可用于存储钠离子的缺陷和空隙。氮/磷掺杂的碳还具有吸引人的电性能。
在《应用物理评论》中，浙江大学，宁波大学和东莞理工大学的中国研究人员描述了他们如何应用原子尺度的基本物理概念来构建钠离子电池的高性能阳极。
涂说：“最近的研究表明，掺杂的无定形碳，特别是富电子元素掺杂的无定形碳，是钠储存的良好阳极。但是对于钠的储存方式或掺杂的碳的掺杂效果，没有共同的解释。”
为了寻求答案，研究人员使用能级轨道的概念来解释吡咯氮与磷氧键的亲和力，它们的原子相互作用，电子分布和电子云构型。
为了进一步了解不同的存储行为，他们应用了第一性原理计算，这是一种使用基本物理量来计算物理属性的方法。它基于电子密度函数，这是一种可以揭示晶体分子结构的量子力学概念。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
当他们分析改性碳材料中嵌入的钠离子的电子分布，系统化学参数和吸附能时，他们发现吡咯氮和磷-氧键显示出真正的钠存储潜力。涂说：“钠离子倾向于储存在这两种结构中。”
研究人员设计了一种水热处理工艺，以构建磷氧结构的前体，然后用富含双电子的元素掺杂碳阳极。涂说，这表明在循环寿命和电池容量方面增强了电化学性能。
他们的阳极实现了5,000个循环的生命周期，具有220毫安小时/克的增强容量，并减少了容量损失（0.003％/循环）。
涂说：“我们的工作填补了富电子元素掺杂的非晶碳的钠存储行为的理论空白，并为使用碳提供了实验基础。我们提供了用于大型钠离子电池的碳材料改性的指导。”
WSU和PNNL（太平洋西北国家实验室）的研究人员已经创建了一种钠离子电池，该钠离子电池可以容纳尽可能多的能量，并且能够与某些商业锂离子电池化学物质一起工作，从而可以利用丰富而廉价的材料开发出一种可能可行的电池技术。这一消息在电池界和公众中引起了极大的兴奋，甚至有人建议用新的钠（Na）离子电池代替昂贵的锂离子电池。
用于钠离子电池的电极材料的化学和电化学与它们的锂离子对应材料的化学和电化学足够不同，以至于直到最近才可以找到适用于实际电池的候选材料。
钠离子电池与锂离子电池相比如何？
为了回答这个问题，让我们首先看一下商用锂离子电池的比能量和能量密度。高度工程化的18650尺寸电池最适合此比较，这些电池具有石墨阳极（容量约350mAh/g）和不同类型的阴极。具有层状过渡金属阴极LiCoO2（LCO），LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2（NMC）和LiN0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）的电池的容量分别为2.4、2.4和3.6Ah，分别转换为206、210和285Wh/kg的比能，以及530至785Wh/l的体积能密度。具有LiFePO4和LiMn2O4的电池阴极具有约130Wh/kg的较低比能和约330Wh/l的体积能密度。考虑到此帐户中介绍的各种Na嵌入金属氧化物和金属磷酸盐阴极材料的可逆容量，我们可以预测，利用这些阴极和硬碳阳极的18650尺寸Na离子电池最多将具有约150Wh/kg的比能。更接近具有LiFePO4阴极的锂离子电池。那说明Na-ion电池完全开发后，将适合与LiFePO4相似的应用当前已部署电池。这些包括短程电动汽车；用于太阳能，风能和其他替代能源转换设施的储能系统（ESS）；电力公司的备用电源；在许多其他应用中，对电池的能量密度要求不如其锂离子电池所要求的，但大大高于传统可充电电池Pb-酸，Ni/Cd和Ni/MH的能量密度。
与锂相比，钠离子电池的最主要优势在于钠的自然丰度和较低的成本。地壳中Na对Li的丰度为23600ppm至20ppm，Na的提取和纯化的总成本低于Li。而且，含钠的金属氧化物和聚阴离子阴极材料可以由天然丰富的过渡金属（如铁，锰，钒和钛）制成，而无需使用钴，这使得无论在富国还是穷国，钠离子电池都是可持续的且价格可承受的。
法国电池市场预测公司Avicenne的Sanders报告（16）到2025年，全球锂离子电池市场将增长到1500亿美元以上。仅ESS市场就有望超过500亿美元。响应于这一不断增长的市场，电池材料产量的提高有望将锂离子电池组的成本从目前的150美元/千瓦时降低到100美元/千瓦时左右。
桑德斯认为，阴极是锂离子电池中最昂贵的组件，约占总成本的25％。对锂离子和钠离子电池组件的检查表明，正极材料的性质是两个电池之间的主要区别。由于锂离子和钠离子技术从原材料制备阴极的成本或多或少是相同的，因此钠离子电池的主要成本降低来自原材料。根据目前可获得的信息，我们可以预测钠离子电池的成本比锂离子电池便宜约10–20％。
钠离子电池的主要优点是可持续性，这对于努力摆脱碳基能源的世界而言至关重要。我们可以预见，具有硬碳阳极和无钴阴极的Na-离子电池将是锂离子电池的可持续低成本替代品，在世界范围内，诸如短程电动汽车和大规模储能（ESS）等应用越来越多地转变为风力，太阳能和水力发电，而风力发电，太阳能和水力发电依靠电池储能来实现不间断的全天候运行。
未来的研究应侧重于发现具有更高比容量和电压的Na离子电池的高级阳极和阴极材料，从而生产出比能量接近200Wh/kg的实用Na离子电池。还应努力开发先进的电解质，以使Na-离子电池在宽温度范围内以高充放电速率运行，同时展现出大规模储能应用所需的长循环寿命和保质期。研究还应集中于对Na嵌入电极中的晶体结构与离子迁移特性之间的关系有更深入的了解，从而获得系统设计和开发用于Na离子电池的高容量可逆电极的能力。
