钠离子电池研究现状

描述

01研究背景

动力电池是新能源汽车的能源储存装置,主要包括锂离子电池、钠离子电池、固态电池等多种类型。它们具有高能量密度、长寿命、环保等优点,成为了替代传统燃油汽车动力的关键技术。钠离子电池是一种新型的可充电电池技术,其研究背景主要源于对锂离子电池的改进和发展需求。锂离子电池作为目前广泛应用于移动电子设备和电动汽车等领域的主流电池技术,具有高能量密度和长寿命等优点。然而,锂资源有限且分布不均,导致锂离子电池的成本相对较高。此外,全球对锂资源的需求也持续增长,可能面临供应瓶颈的风险。因此,研究人员开始寻找替代锂的电池材料,其中钠是一个备受关注的候选者。钠在地壳中的分布比锂更为丰富,价格也相对较低,具有潜在的替代锂的优势。相比于锂离子电池,钠离子电池的优势如图1所示。

钠离子电池

图1钠离子电池的优势

02钠离子电池研究现状

随着锂离子电池需求的增长,对锂资源的依赖度越来越高。由于地壳中储量较少,需要寻找替代锂离子电池的其他电池技术。钠离子电池是一种备受关注的选择,因为地壳中钠资源丰富且分布均匀,并且钠与锂具有相似的化学性质,因此可以借鉴锂离子电池的成功经验。

近年来,研究人员对钠离子电池进行了大量研究,并开发了多种正负极材料和电解液体系。在正极方面,研究者们开发了类似于锂离子电池正极材料的层状或隧道结构的过渡金属氧化物、普鲁士蓝类正极材料以及聚阴离子型正极材料等。在电解液方面,研究者使用相应的钠盐替代锂盐,开发了以不同钠盐为溶质,配合不同溶剂(如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯等)的多种电解液体系。同时,为了提高电池的安全性和电化学性能,研究者们还开发了固态电解质和其他新型电解液体系。

钠离子电池

图2正极中循环性能不稳定的内部机理

a)不可逆的相变. b)形态变化. c)循环后晶格弯折. d)相间不稳定. e)空气敏感性

负极研究方面,硬碳材料由于既可以通过裂解生物质碳源制备,也可以通过裂解高分子聚合物获得, 具有来源广泛、无毒环保、储钠电位低和比容量较高等优势而被广泛研究。这些技术的开发旨在提高钠离子电池的能量密度、循环寿命和安全性能,以满足储能领域日益增长的需求。

钠离子电池

图3 钠离子在硬碳中储存机理示意图:

a)“插层-吸附”机制. b) “吸附-插层”机制. c) 硬碳的微观结构随热解温度的变化的演变及对应的储钠机制和行为. d) 多孔碳孔结构调整和闭孔储钠机制. e) 不同的钠化阶段的硬碳电极的非原位WAXS 曲线. f) 硬碳储钠的“吸附-插层-孔充填”机理.g)放电/充电到不同电压的硬碳电极与质子溶剂的化学反应. h) 完全钠化的电极与乙醇反应后产生的 H2的气相色谱图. i) 硬碳中钠的稳态示意图

钠离子电池的热安全问题也需要更多的关注。造成电池热失控的原因众多,根据起始的触发条件,可以分为,机械滥用触发、电滥用触发和热滥用触发,机械滥用指的是锂离子电池在使用过程中受到外力的作用,例如碰撞、挤压而失效;电滥用一般是由于电池管理系统出现故障而引起的;热滥用则是由于温度管理不当,电池受到非正常的内部或者外部加热引起的。尽管三者的触发方式不同,但是最终都会导致电池隔膜破裂,进而引发电池热失控。

钠离子电池

图4 钠离子电池研究现状

03总结

通过对现有的相关研究进行总结归纳,发现对钠离子电池的研究主要集中在电极电解液材料的优化改性上,其中涉及的性能衰减机制也仅仅停留在电极层面,并没有在循环中,定量地建立起钠离子电池的性能衰减老化机制。对于不同材料体系的SIB,也没有对不同老化路径的性能衰减演化,尤其是热失控特性演化规律的相关研究。然而,深入研究性能衰减机制和热失控机理,有助于提高钠离子电池的性能和安全性,推动其商业化应用和推广,对于推动能源存储技术的发展、优化电池设计和提高安全性具有重要的作用。此外,研究钠离子电池在电动汽车和储能系统等应用中的系统集成与设计也是未来的一项重要研究内容。其中包括电池模型的建立、电池状态估计和控制策略的开发,以优化电池的性能和实现可靠的应用。

审核编辑:汤梓红

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