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Power Supply Industry
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12 2023 年 08 月
总第 265 期
普鲁士蓝类材料具有空旷的晶体结构,钠离子嵌脱高
度可逆,因而理论上可以实现优秀的循环、倍率性能。但
缺点是,材料中的结晶水会影响材料的各方面性能,因而
对制备条件要求严格。普鲁士蓝类材料通过改变金属元素
种类,可以调节材料的电压、比容量,另外通过调节材料
中结晶水的含量,可以改善循环、倍率性能。
聚阴离子型材料同样具有空旷的三维结构,理论上也
可以实现很好的性能。但最大的缺点是电子导电性差,必
须通过改性才能应用,可通过调整金属元素种类、阴离子
种类,提升材料的电压;通过锰、铁等元素取代价格高的
金属元素,降低材料成本。
有机物正极的种类纷繁,因而有许多有机物正极可供
选择。但是,有机物溶于有机电解液,这会给电池的稳定
运行带来较大的不确定性。因此,这类正极材料仍在研究
和改性中,暂时没有工厂实践论证其作为正极材料的可行
性。
钠电负极材料方面,王振波介绍,也可分为四种:碳
材料 (成本低,导电性高)、相转化材料(容量高,导电
性差)、钛基化合物(稳定性好,导电性差)、合金化材
料(容量高,稳定性差)。
根据锂离子电池发展的经验,碳材料被研究者最为看
好。特别是热解无烟煤产生的硬碳负极材料,既具有成本
低的优势,也具有很好的电化学性质。这一高性价比的特
点正好契合了钠电低成本的发展理念。
相转变型钠电负极成本低,但是不可逆容量大。距离
实际应用,仍需要优化材料与电解液的兼容性,进一步提
升首次效率。
钛基化合物负极结构稳定,具有较高的理论容量。但
缺点是材料的制备过程复杂,且材料自身存在电子电导差
的问题,因此综合性能都不如无烟煤衍生的碳负极。
合金负极理论容量高,但是工作过程中的体积膨胀容
易造成材料粉化失效,因而性能衰减严重,不利于长期的
电池使用过程。
综合来看,钠电负极最有应用前景的负极材料是无烟
煤热解得到的碳材料。对于另几种负极材料,则需要进一
步地补齐短板,特别是提升材料的电子电导和倍率性能。
会上,王振波还提出了钠离子电池负极材料的改性
策略:一是形貌调控。纳米化,缩短离子扩散路径;阵列
化,提供直接快速的离子传输通道;二是包覆或掺杂改
性。掺杂碳、石墨烯、金属等导电性良好的物质进行改
性;缺陷掺杂改性;三是晶格调控与组分优化。优化材料
内部结构,复合功能材料,发挥1+1>2的协同作用。
钠电电解液方面,目前,多数研究者们倾向于使用有
机电解质。这是因为有机电解质的电化学稳定窗口更宽,
可达到4伏。因而,使用有机电解质更可能实现更高的能
量密度。目前,研究者多使用碳酸酯类的有机电解液。
王振波提出,通过调节电解液的组分、比例,可以
影响电解液的溶剂化结构,进而形成稳定的固态电解质界
面,从而提升电池的各方面性能。其中,SEI膜-电极的关
系近似固-固界面,通过调节电解液组分(盐、溶剂、添
加剂)以调节SEI膜可以优化电池性能。电解液的组成会
改变电解液的溶剂化结构,从而影响界面的去/溶剂化行
为。离子-溶剂化结构与界面行为能显著影响电池性能。
调节电解液体相溶剂化结构,改善去/溶剂化行为的动力学
已成为研究热点。
此外,相对于锂电,人们发现醚类电解质在钠离子电
池中更耐高压,形成的固态电解质界面相也具有更好的界
面稳定性和界面离子传输动力学。缺点则是醚类电解质的
成本较高。因而,如果能降低电解质成本的话,醚类电解
质的应用将有利于进一步提升钠电的性能优势。
钠电池发展前景:适逢机遇 势在必行
“前面我们谈到的,都是如何选择优化电池材料。而
实际上,电池是作为整体存在的。因此,匹配好正负极和
电解质,是实现优秀的钠离子电池体系的另一重点。据报
道,合理的电池设计已经能使得钠离子全电池循环5000次
以上,已经达到电池的商用标准。”王振波分析称,“在
宽温域上,钠离子电池未来想要发展要克服它自身的先天
不足,拿自己的短板没法和别人的长处去比,所以要把自
己的内功做好,低温性能、宽温域做好就可以和锂电比拼
了,另外它的倍率性能也是不错的,充电时间短就可以占
领更多的市场。”
为了提升钠电在不同工况下的可靠性,对标锂电池、
铅酸电池等优秀电池体系,王振波建议,需尽可能地拓
宽钠电的工作温度范围,提升其在储能领域的竞争力。同
时,考虑到钠离子电池可能应用在中低速电动车上。十分
有必要考虑到电池快充、以及续航历程的问题。
为了获得宽温域、高功率的钠电体系,王振波及其团
队提出了相关技术路线:先研究材料,后优化电极/电解质