信誉现金网【真.最佳平台】

新闻资讯

新闻资讯

钠离子电池工作原理



  钠离子电池的概念起步于上个世纪80年代与锂离子电池几乎同时起步。钠离子电池的工作原理与锂离子相似,充电时,Na+从正极材料中脱出,经过电解液嵌入负极材料,同时电子通过外电路转移到负极,保持电荷平衡;放电时则相反。

  原理上,钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5。钠离子电池最主要的特征就是利用Na+代替了价格昂贵的Li+,为了适应钠离子电池,正极材料、负极材料和电解液等都要做相应的改变。相比于锂元素,钠离子电池的优势在于资源丰富,钠资源约占地壳元素储量的2.64%获得钠元素的方法也十分简单,因此相比于锂离子电池,钠离子电池在成本上将更加具有优势。

  虽钠离子电池能量密度不及锂离子电池,但就目前碳酸锂价格高涨的形势来看,钠离子电池仍然具有十分广泛的应用前景:对于能量密度要求不高的领域,在电网储能、百家乐现金网,调峰,风力发电储能等方面应用前景广阔。未来钠离子电池将逐步取代铅酸电池,在各类低速电动车中获得广泛应用,与锂离子电池形成互补。

  钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似,是利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。充电时,Na+从正极脱出经过电解质嵌入负极,同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极,保证正负极电荷平衡。放电时则相反,Na+从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下,钠离子在正负极间的嵌入脱出不破坏电极材料的基本化学结构。

  (1)钠盐原材料储量丰富,价格低廉,采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料,原料成本降低一半;

  (2)由于钠盐特性,允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液,钠盐电导率高于锂电解液20%左右)降低成本;

  (3)钠离子不与铝形成合金,负极可采用铝箔作为集流体,可以进一步降低成本8%左右,降低重量10%左右;

  对于钠离子电池我们关注的焦点,一个是成本要低,正极材料要去锂脱钴,不用锂离子,也不用成本较高的钴原料;第二是在电动车和储能方面都要求电池寿命要长;第三是安全性要好;最后是能量密度要比较合适。

  钠离子电池和锂离子电池的反应机理相近,正极材料除了磷酸盐或氟化磷酸盐以外,还可以用镍锰层状过渡金属氧化物。在负极材料方面可选择碳类、合金和化合物。在三大类负极材料中,我们还是选择最便宜的碳材料。我们对于负极碳材料又进行了软碳、硬碳和石墨烯三个分类的研究。

  我们最近的一些研究成果,其中一个是采用层状结构Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作正极材料。经过实验研究和比较,在制备正极原材料的使用上,我们认为使用醋酸盐或草酸盐更好。根据文献报道,正极材料如果只用镍锰氧化物,它的循环性能和充电到高电位时的稳定性较差。所以有文献报道可以用镁掺杂,替代镍位,这样的话期待它的容量可以更高,这种方法对于获得高能量密度的钠离子电池是很有帮助的。除了镁以外,其他掺杂的元素可不可以呢?我们选择与替代元素离子半径相近的元素做掺杂,比如替代镍位,我们选了锆(Zr)离子和铜(Cu)离子进行掺杂。材料掺杂后与掺杂前电化学性能和循环性能都有提高,Zr掺杂和Cu掺杂相比,Cu掺杂的循环稳定性更好。

  负极方面,由于软碳材料处理的方法比较多,我们尝试了用磷掺杂软碳。掺杂磷后放电容量可以提高30%以上,循环特性好。为什么掺磷后材料性能提高呢?这是由于掺磷后可以增加钠吸附的活性点。在传统的嵌入反应之外,还多了一些钠离子吸附的活性点位。另外,在硬碳方面,我们选用了椰壳、杏壳等生物质材料,通过处理,最终获得硬碳材料。通过拉曼分析可以发现,这些材料是短层有序、长层无序的结构,微晶的层间距较大,适合钠离子嵌入。

  通过循环实验可以看到,经过200次循环,容量基本没有衰降,循环稳定性很好。由此可见,这些生物质材料是很好的廉价的钠离子电池负极材料。再有,对于石墨烯负极我们也做了研究。石墨烯材料最大的问题是密度比较低,将来能不能做成高体积比能量的电池还是问题。所以可以考虑将石墨烯和其他负极材料如硬碳、软碳,以及化合物类或合金类材料进行复合。

  我们做了1.5Ah和0.5Ah两种软包全电池,正极材料采用前面提到的镍锰氧化物,负极采用生物质的硬碳材料,经300次循环后容量衰降为15%。由此可见,钠离子电池用廉价材料是可以制备的,而且电性能良好。

  作为一类重要的储能电池,钠离子电池具有比能量高、安全性能好、价格低廉等优点,有望在储能领域成为锂离子电池的替代品。其最主要的特征就是利用Na+代替了价格昂贵的Li+,而为了适应钠离子,电池的正极材料、负极材料、电解液甚至添加剂的种类和用量(如T3P、己烷三腈)等都要做相应的改变。因此,仍有诸多问题亟待解决,实现大规模、高安全性、低成本、高能量、高功率密度和长寿命的目标,方能实现钠离子电池的产业化。