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钠离子电池的负极材料

1、钠离子电池的负极材料之碳材料

用石墨作负极,由于钠离子在石墨层间迁移需要高跃迁能,脱/嵌困难。钠金属会形成枝晶,如锂金属一样。钠金属的安全性也受到质疑,因为其熔点只有97.7℃,而锂金属为180.5℃。硬碳被认为可以作为负极材料,钠合金是否能作为负极材料也正被广泛的研究。在实验室中应用较多的钠离子电极负极材料有各类碳材料,如石墨,乙炔黑,中间相碳微球(MCMB),它们的电化学性能与各自的结构和含氢量密切相关,一般的规律是:晶粒小,比表面积大,与电解质接触面也大,从而用来形成保护层所消耗的电解质也多;而含氢量越多,容量滞后也越大。

中间相碳微球(MCMB)的制备及其电化学性能已有详细的研究,与不经处理和经高温(3000℃)处理的MCMB相比,750℃热处理后的MCMB电化学性能最优,这是因为它未完全失氢和适中的石墨化程度。报道称其比容量达750mAh/g,为石墨理论比容量372mAh/g(NaC6)的两倍多;石墨化缺陷则避免了无谓的有机溶剂分解,又是低温制备,可见,这是一种较为理想的负极材料。

2、钠离子电池的负极材料之合金

钠离子电池负极材料的另一类重要材料是钠合金,其制备是将单质钠与其它金属按一定比例在惰性气氛中于合适温度下熔融,再经退火结晶即可。目前研究较多的是钠的二元与三元合金,可与钠制成负极用合金的元素有:Pb,Sn,Bi,Ga,Ce,Si等,选择这些金属的原因是:可增加负极材料与电解质的相容性,防止在过充电时生成枝晶,增加了安全性,故能延长电池的使用寿命;且它们氢过电位较高,能减少电池的自放电反应,从而提高电池的贮存性能。合金负极的缺点是降低了比能量,如Nal5Pb4/P2NaxCoO2系统为350Wh/kg,是Na/P2NaxCoO2系统的3/4左右,但其高体积比能量仍然很有吸引力(Nal5Pb4/P2

NaxCo021500Wh/L,与Na/P2 NaxCo021600Wh/I接近)。另外,出于环保考虑,应尽量避免使用重金属(如Pb)作为钠的合金化元素。有学者对利用高分子掺杂以改变合金晶型以及提高其比容量作了相应的研究。

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