作者:胡勇胜等 来源:《先进能源材料》 发布时间:2012-9-10 11:34:41
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室温钠离子储能电池有机负极材料研究获进展
 
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,随着社会经济高速发展和人口的增长,人类对能源的需求不断增加。目前,传统化石能源如煤、石油、天然气等为人类社会提供了主要的能源供应。但随着化石能源的逐渐枯竭,及其带来日益严重的生态环境恶化问题,全球各国都在努力寻找可再生、环境友好的新能源,其中大力发展太阳能、风能等可再生能源,是解决能源问题的根本和长期的途径。然而,太阳能和风能等受到自然条件的限制具有间歇性、不稳定等特点,而且不能随需求来控制,必须利用大规模储能系统保障电网稳定性和电力供应的连续性。
 
大规模储能技术是发展可再生能源利用和智能电网的关键。与其它储能方式相比,电化学储能能够适应不同的电网功能需要,在风电、光电等的集成并网方面尤其具有优势。因此,各发达国家均高度重视电化学储能系统的开发和利用。大规模电化学储能技术目前存在多种技术路线,其中锂离子电池以其高能量密度、高功率密度、长循环寿命等特点成为重要技术路线之一。然而,随着锂离子电池逐渐应用于电动汽车,锂的需求量将大大增加,而锂的储量是有限的,且分布不均匀,这对于发展大规模储能的长寿命储能电池来说,可能会成为一个重要问题。基于此背景,我们迫切需要开发新型的长寿命储能器件。由于钠在地壳中储量丰富,约占2.74%,为第六丰富元素,且分布广泛;钠具有和锂相似的物理化学性质和储存机制,因此发展针对于大规模储能应用的室温钠离子电池技术具有重要的战略意义,近些年再次得到世界各研究组的广泛关注。与锂离子电池相比,钠离子电池的优势在于较低的成本,适合用于大规模储能。
 
目前已报道多种很有前途的正极材料,例如碳包覆的具有NASICON结构的Na3V2(PO4)3复合材料 (Jian Z L, Zhao L, Pan H L, Hu Y S, Li H, Chen W, Chen L Q,Carbon coated Na3V2(PO4)3 as novel electrode material for sodium ion batteries. Electrochem. Commun., 2012 14: 86–89.)。从最近取得的研究进展来看,发展室温钠离子储能电池最大的挑战是没有合适的负极材料。在众多负极材料中,硬碳材料显示了比较好的综合性能,可逆容量达到200mAh/g,首周库仑效率80%以上,循环也很稳定,但是硬碳储钠电位接近0V,在快速充电过程中,可能会导致钠在硬碳表面的沉积和钠枝晶的生长,从而带来安全隐患,需要研发新型安全的高电压(相对于钠的沉积电位要高)负极材料。
 
有机材料具有丰富的化学组成,宽的电位范围可调,可以实现多电子转移,而且原料可以从自然界生物质中得到,来源丰富,材料可循环降解,对环境无害,作为电极材料引起了研究者的极大兴趣。钠离子电池的定位就是用于大规模储能电池,因此研发低成本、环境友好的有机电极材料更具有其必要性。最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的清洁能源实验室E01组博士生赵亮与胡勇胜研究员等提出了一种新型成本低廉的有机材料——对二苯甲酸二钠(Na2C8H4O4)作为钠离子电池负极材料,该材料具有约250mAh/g的可逆储钠容量,平均脱嵌钠电位0.43V, 且循环稳定,是一种有前途的负极材料。由于该材料导电性较差,使用时需要混合大量的导电添加剂,导致其首周库仑效率较低。我们进一步利用原子层沉积技术(ALD)对其电极表面进行几个纳米的Al2O3包覆,部分抑制了SEI膜的生长,提高了其首周库仑效率、倍率性能和循环性能。该工作发表在Adv. Energy Mater., 2, 962-965, 2012.上。
 

图 1 有机负极材料对苯二甲酸二钠(Na2C8H4O4)的分子式及储钠机制。苯环上连的两个羧基中的羰基可以和两个钠离子结合和分开,实现钠离子的可逆嵌入和脱出,对应255mAh/g的理论比容量。
 

图 2 Na2C8H4O4/KB前10周典型充放电曲线(倍率0.1C)
 

图 3 Na2C8H4O4/KB未包覆的初始电极、ALD20电极(约2nm Al2O3 包覆)、ALD50(约5nm Al2O3包覆)电极在不同充放电倍率下的放电曲线(a-c)以及0.1C倍率下的循环性能(d)。
 
上述工作得到了科技部储能材料研究创新团队、科学院知识创新工程能源项目群方向性项目、科学院百人计划、基金委的大力支持。(来源:科学网 郭勉愈)
 
 
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