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钠离子电池

Sodium ion Battery

研究历史

研究历史

钠离子电池

钠离子电池(Sodium-ion battery),是一种二次电池(充电电池),主要依靠离子正极负极之间移动来工作,与锂离子电池工作原理相似。

2018年12月,南京理工大学夏晖教授与中外团队合作,首创结构设计和调控方法,在基正极材料研究方面取得重要进展。

2020年11月,中科院物理所胡勇胜研究员与中外团队合作的钠离子电池论文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界顶级学术刊物《Science》上发表,同时,这也是《Science》创刊百余年来首次刊登钠离子电池领域相关文章。该研究提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法,并在实验上证实了该方法的有效性,为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和制备提供了理论指导。该研究成果入选2020年度中国科学十大进展30项候选成果。 

研究历史

钠离子电池研究最早开始于上世纪八十年代前后,早期被设计开发出来的电极材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2电化学性能不理想,发展非常缓慢。寻找合适的钠离子电极材料是钠离子储能电池实现实际应用的关键之一。2010年以来,根据钠离子电池特点设计开发了一系列正负极材料,在容量和循环寿命方面有很大提升,如作为负极的硬碳材料、过渡金属及其合金类化合物,作为正极的聚阴离子类、普鲁士蓝类、氧化物类材料,特别是层状结构的NaxMO2(M= Fe、Mn、Co、V、Ti)及其二元、三元材料展现了很好的充放电比容量和循环稳定性。

由于钠离子相对更大,需要更大的能量来驱动离子的运动,这方面一度是新电池技术最头疼的问题,直到科学家们像碳芯电池一样,采用碳作为驱动介质,使得钠离子电池的能效可以达到锂电池的7倍之多,而且可循环充电的次数更多。此外,钠离子的液态记忆这项难题也被攻克。

中科院物理所胡勇胜研究员带领团队自2011年起致力于安全保、低成本、高性能钠离子电池技术研发,开发出低成本铜基正极材料、煤基碳负极材料、低盐浓度电解液,其核心专利获得中国、美国、日本及欧盟授权。2017年,建成百吨级正、负极材料中试线,兆瓦级产能的电池线,研制出能量密度为150 Wh/kg,循环寿命达4500周的钠离子电池,并先后完成电动自行车、全球首辆钠离子电池低速电动车、首座100kWh钠离子电池储能电站示范应用和全球首座1MWh钠离子电池光储充智能微网系统。研制的钠离子电池产品可以满足自行车等各类低速电动车及电动船的需求,也可用于家庭/工业储能、5G基站和数据中心后备电源,且适合应用于可再生能源接入电网及分布式储能等大规模储能领域。

2015年11月30日,法国一支研究团队在可充电电池材料上取得了一项重大进步,“18650”锂电池被普遍用于笔记本、LED手电、以及特斯拉Model S汽车等设备上,但法国国家科学研究中心的研究人员们首次开发出了业界标准的18650规格的钠离子电池。

上海交通大学马紫峰教授研究小组在国家自然科学基金委和国家973计划支持下,从工业化应用角度出发,采用氧化石墨烯对[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2电极进行修饰改性,制备了无粘结剂的高电导特性的柔性电极,在0.1C至10C充放循环条件下,获得良好的容量和循环性能。该研究小组还采用廉价的普鲁士蓝类材料(NaMFe(CN)6),通过优化晶体内部分子结构,构筑了高容量、长循环寿命的钠离子电池正极材料。其比容量高达118.2 mAh/g (10 mA/g)。在国际上首次将该材料与硬碳负极材料制备了储能型钠离子电池的原型电池,其能量密度达到了81.72 Wh/kg,是铅酸电池的2倍,为储能型钠离子电池工业化奠定良好的技术基础。

2018年12月,南京理工大学夏晖教授与中外团队合作,首创结构设计和调控方法,在锰基正极材料研究方面取得重要进展,使低成本钠离子电池有望取代锂离子电池,相关成果发表在《自然·通讯》上。这种正极材料制成的电极比容量达到211.9毫安时每克,而市面上流通的锂电池正极材料比容量约为140毫安时每克。充放电过程中,这种正极材料结构稳定无相变,体积变化仅为2%,循环充放电1000次后,比容量保持率高达94.6%,而电池行业一般的比容量保持率标准约为80%。

2020年12月,胡勇胜团队汇集近十年在钠离子电池基础研究和工程化探索中取得的研究进展,荟萃国内外专家学者近四十年在钠离子电池技术领域取得的杰出成果,组织撰写了《钠离子电池科学与技术》这本专业书籍,系统总结了钠离子电池的研究现状,集中探讨钠离子电池的关键问题,着力展望钠离子电池的发展趋势。

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