固態(tài)電池有望成為更安全的電池，特別是鈉離子化學(xué)電池,那我剛買_香港電動(dòng)汽車報(bào)廢處理_的電動(dòng)汽車豈不是該淘汰報(bào)廢了？
2021/2/28 12:04:38 點(diǎn)擊：679
據(jù)外媒報(bào)道，研究人員設(shè)計(jì)和發(fā)明出一種可用于固態(tài)鈉離子電池的新型鈉離子導(dǎo)體。該導(dǎo)體與高電壓氧化物陰極結(jié)合時(shí)可保持穩(wěn)定，從而大大提高此類電池的效率和使用壽命。據(jù)悉，用這種新材料制造的概念電池可循環(huán)超過(guò)1000次，同時(shí)保持高達(dá)89.3%的容量，性能遠(yuǎn)超其他固態(tài)鈉電池。
因?yàn)殁c成本低廉且含量豐富，而鋰離子電池中的鋰，不僅含量少，且開(kāi)采成本高，破壞環(huán)境。此次研究的目的是制造出可用于大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的電池，尤其是存儲(chǔ)可再生能源產(chǎn)生的電力，從而緩解高峰需求。
鈉離子電池的研究與鋰離子電池的研究基本上同時(shí)起步，但是自上個(gè)世紀(jì)九十年代鋰離子電池成功商業(yè)化以來(lái)，鈉離子電池的研究基本陷于停滯。近年來(lái)鋰離子電池大規(guī)模的在動(dòng)力電池上的應(yīng)用引發(fā)了人們對(duì)于鋰儲(chǔ)量的擔(dān)憂，盡管目前鋰資源的儲(chǔ)量還能夠保證充足的供應(yīng)，但是隨著動(dòng)力電池產(chǎn)量的不斷提升，將會(huì)對(duì)鋰資源的供應(yīng)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。相比于金屬鋰，鈉鹽的儲(chǔ)量十分豐富，并且具有成熟的提取工藝，同時(shí)Na和Li作為同族元素具有類似的電化學(xué)特性，因此近年來(lái)鈉離子電池的研究逐漸成為新的熱點(diǎn)。
近日，埃因霍芬理工大學(xué)的Kudakwashe Chayambuka（第一作者）和悉尼科技大學(xué)的Peter H. L. Notten（通訊作者）等人對(duì)現(xiàn)有的鈉離子電池研究中面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。
鈉離子電池的研究歷史
相比于鋰離子電池，鈉離子電池研究的起步并不晚，在1976年Whittingham研究發(fā)現(xiàn)TiS2能夠進(jìn)行Li的嵌入和脫出，同時(shí)也能夠進(jìn)行Na的嵌入和脫出，但是由于采用并不穩(wěn)定的金屬鋰作為負(fù)極，因此這一體系的電池最終并未商業(yè)化。
在上個(gè)世紀(jì)的80年代，Goodenough老爺子開(kāi)始嘗試將層狀氧化物作為正極材料，這些層狀結(jié)構(gòu)的材料既可以用來(lái)進(jìn)行Li的嵌入和脫出，也可以用來(lái)Na的嵌入和脫出，但是嵌鋰化合物相比于嵌鈉化合物具有更好的性能，因此勝利的天平逐漸向鋰離子電池偏移。
在負(fù)極材料方面，早期無(wú)論是鋰離子電池，還是鈉離子電池都是采用金屬鋰或金屬鈉，但是由于堿金屬較高的反應(yīng)活性，因此導(dǎo)致界面穩(wěn)定性差，同時(shí)由于充放電過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，因此金屬鋰負(fù)極最終未能得到廣泛的應(yīng)用。幸運(yùn)的是鋰離子電池成功發(fā)現(xiàn)了軟碳、石墨類等一些碳材料具有良好的嵌鋰特性，因此成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。但是這些在鋰離子電池上成功應(yīng)用的碳材料，在鈉離子電池中容量?jī)H為1/10左右，制約了鈉離子電池的應(yīng)用。隨著在1990-2000年范圍內(nèi)鋰離子電池在商業(yè)上獲得了巨大的成功，對(duì)于鈉離子電池的研究逐漸減少。
雖然對(duì)于鈉離子電池的研究大幅減少，但是在這期間人們還是開(kāi)發(fā)了高溫鈉硫電池（300-350℃工作），主要應(yīng)用領(lǐng)域是大規(guī)模的固定式儲(chǔ)能。但是高溫鈉離子電池應(yīng)用范圍較窄，因此大約在2000年左右人們由開(kāi)始關(guān)注能夠在常溫下工作的鈉離子電池，人們發(fā)現(xiàn)硬碳材料由于較大的石墨層間距，因此在鈉離子電池中也能夠呈現(xiàn)300mAh/g以上的容量。在2010-2013年期間對(duì)于鈉離子電池的研究進(jìn)入高峰，大量的研究成果涌現(xiàn)，目前鈉離子電池的主要正極材料有氧化物類、聚陰離子類和普魯士藍(lán)三大類。
在2015年法國(guó)首先開(kāi)發(fā)了18650型的鈉離子電池，隨后大量的初創(chuàng)企業(yè)開(kāi)始進(jìn)軍這一新興領(lǐng)域，其中2011年創(chuàng)建的位于英國(guó)Faradion公司是其中的佼佼者，目前該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于氧化物正極和硬碳負(fù)極的1-5Ah軟包電池。法國(guó)的Tiamat創(chuàng)立于2017年，主要產(chǎn)品為采用聚陰離子正極的圓柱形電池。在國(guó)內(nèi)主要是中科院旗下的HiNa公司，該公司的主要產(chǎn)品是基于含Cu氧化正極和無(wú)煙煤制備的硬碳負(fù)極體系的軟包和圓柱電池，該公司在2019年的四月在江蘇溧陽(yáng)推出了目前規(guī)模最大的鈉離子電池儲(chǔ)能站。
鋰離子電池與鈉離子電池對(duì)比
由于Li和Na相似的電化學(xué)特性，因此鈉離子電池和鋰離子電池也具有相似的性能，可以采用相同的生產(chǎn)工藝和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，因此如果要進(jìn)行鋰離子電池-鈉離子電池的轉(zhuǎn)變可以實(shí)現(xiàn)完全的無(wú)縫銜接。
2.1電池設(shè)計(jì)差異
鋰離子電池和鈉離子電池在電池設(shè)計(jì)上幾乎沒(méi)有差異，漿料配方設(shè)計(jì)、電極生產(chǎn)過(guò)程和電池裝配過(guò)程都是完全相同，兩者的唯一區(qū)別體現(xiàn)在鋰離子電池中負(fù)極采用Cu箔作為集流體，正極采用Al箔作為集流體，這主要是因?yàn)锳l會(huì)與Li形成合金，從而造成的Al箔的粉化。而在鈉離子電池中則不存在這樣的問(wèn)題，因此在鈉離子電池正負(fù)極都可以采用鋁箔作為集流體，有利于降低成本和電池重量，這樣的設(shè)計(jì)還帶來(lái)一個(gè)好處：鈉離子電池可以放電至0V進(jìn)行安全的存儲(chǔ)，而不用擔(dān)心因?yàn)樨?fù)極銅箔氧化造成的衰降。
電解液設(shè)計(jì)
在電解液設(shè)計(jì)方面，鋰離子電池和鈉離子電池基本是相同的，可以采用同樣的溶劑，兩者的主要區(qū)別體現(xiàn)在鹽的選擇上，在鋰離子電池電解液中主要是采用六氟磷酸鋰，而在鈉離子電池中則主要是采用六氟磷酸鈉。但是目前高純六氟磷酸鈉在價(jià)格上具有顯著優(yōu)勢(shì)，僅為高純六氟磷酸鋰價(jià)格的1/4左右。
2.3電池的能量密度、功率和循環(huán)性能
目前鈉離子電池的研制還處于早期階段，因此能量密度相比于鋰離子電池還具有比較大的差距，其中18650型的鈉離子電池能量密度約為90Wh/kg，軟包鈉離子電池的能量密度約為130-150Wh/kg。鈉離子電池在功率性能上與鋰離子電池基本相當(dāng)，在一些情況下，甚至要稍好于鋰離子電池。在循環(huán)性能上鈉離子電池也表現(xiàn)出色，如上圖d中所示的75Wh/kg的鈉離子電池循環(huán)壽命可達(dá)4000次左右，超過(guò)常規(guī)鋰離子電池。
2.4安全性
鈉離子電池在安全性上也具有較好的表現(xiàn)，例如下圖a中18650型鈉離子電池在頂部針刺的條件下，經(jīng)過(guò)10min電池才達(dá)到最高130℃。下圖b中所示的軟包鈉離子電池中在針刺中同樣也做到了不起火、不爆炸。在下圖c中的ARC測(cè)試中，鋰離子電池的自加熱起始溫度為165℃，而鈉離子電池則達(dá)到了260℃，在下圖d中所示的鋰離子電池ARC測(cè)試中，鈉離子電池的最大自加熱速度要顯著低于鋰離子電池，這都表明鈉離子電池具有更好的熱穩(wěn)定性。
2.5成本
低成本是鈉離子電池的一大賣點(diǎn)，計(jì)算顯示如果鈉離子電池的負(fù)極具有和鋰離子電池相同的性能和成本，鈉離子電池的總體成本可降低12.5%左右。但是實(shí)際上目前鈉離子電池負(fù)極采用的硬碳材料成本要顯著高于石墨材料，因此根據(jù)鈉離子電池現(xiàn)有的正負(fù)極材料計(jì)算，鈉離子電池的成本約為329$/kWh，而相比之下目前鋰離子電池的成本已經(jīng)逼近100$/kWh，因此鈉離子電池在成本上還有很多工作需要做。
2.6鈉離子電池在動(dòng)力電池和儲(chǔ)能上的應(yīng)用
對(duì)于動(dòng)力電池的應(yīng)用而言，體積能量密度更為關(guān)鍵，目前鈉離子電池的體積能量密度約為400Wh/L，而目前鋰離子電池的體積能量密度可達(dá)700Wh/L左右，因此鈉離子電池在電動(dòng)汽車上還不具備與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，但是可以考慮在一些對(duì)于能量密度要求較低的低速電動(dòng)車上應(yīng)用。儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)τ陔姵氐闹亓亢腕w積的要求相對(duì)較低，因此這一領(lǐng)域是鈉離子電池應(yīng)用的主要陣地。
總的來(lái)看，雖然鈉離子電池在理論上相比于鋰離子電池具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但是由于鈉離子電池采用的材料成本的限制，使得現(xiàn)階段鈉離子電池在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池，但是隨著鈉離子電池材料技術(shù)的發(fā)展和成熟，鈉離子電池的成本將逐漸降低，將有望在儲(chǔ)能等領(lǐng)域部分替代鋰離子電池。
加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授、該論文通訊作者Shirley Meng表示：“工業(yè)界希望電池每千瓦時(shí)的成本為30至50美元，這大概是目前電池成本的三分之一至五分之一。而我們肯定會(huì)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。”此次研究由加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校和圣塔芭芭拉分校、石溪大學(xué)、TCG研究與教育中心、印度加爾各答的TCG科技研究與教育中心和殼牌國(guó)際勘探有限公司共同完成。
通過(guò)在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)間快速迭代，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員確定了一類由鈉、釔、鋯和氯化物組成的鹵化鈉導(dǎo)體，并將其命名為NYZC。它不僅具有電化學(xué)穩(wěn)定性，還可與高壓鈉離子電池中使用的氧化物陰極化學(xué)相容。隨后，該小組與加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員共同研究這種新材料的結(jié)構(gòu)特性和性能。
NYZC是基于Na3YCl6研究而成，而這種材料并不是很好的鈉導(dǎo)體。研究人員建議使用鋯代替釔，這樣可以產(chǎn)生空位并增加電池單元的體積，近而增加鈉離子的傳導(dǎo)性。研究人員還指出，隨著體積的增加，這種新材料中的鋯和氯離子結(jié)合會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生更多的鈉離子傳導(dǎo)途徑。除可增加導(dǎo)電性外，該鹵化物材料還比目前其他用于固態(tài)鈉電池的材料更穩(wěn)定。
研究人員表示：“以上發(fā)現(xiàn)表明鹵化離子導(dǎo)體在固態(tài)鈉離子電池應(yīng)用中具有巨大潛力。同時(shí)，也證明大規(guī)模材料數(shù)據(jù)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合可能對(duì)材料發(fā)現(xiàn)過(guò)程產(chǎn)生重大影響。”接下來(lái)，研究人員將繼續(xù)探索這些鹵化物材料的其他替代品，提高電池的整體功率密度，并努力擴(kuò)大生產(chǎn)。
