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钠离子电池的发展表现特点和趋势:
将锂离子电池电极材料直接类比应用到钠离子电池中是开发钠离子电池体系的捷径和首选思路;
由于钠离子与锂离子在离子半径、化学活性等自身特性方面有所不同,使得钠离子电池虽可以在一定程度上借鉴锂离子电池材料的化学组成,但还需要针对钠离子的物理化学性质、电极材料的晶体结构和反应机理独立地开发和设计新型钠离子电池体系;
由于碱性离子(锂离子、钠离子、钾离子等)之间具有相似的化学性质,在锂离子 电池电极材料的基础上开发可以实现多种碱性离子共嵌入的正负极材料也是钠离子电池电极材料开发的一个方向,以此可以大幅提高材料的储能容量和应用范围。
2.水性钠离子电池
水性钠离子电池使用水作为电解液,与使用液态有机电解液的电池相比,在成本和安全 性方面具有明显优势。由于部分钠离子电池电极材料的氧化还原电位处于水稳定电压窗口内, 因此钠离子电池具备应用水性电解液的条件,水性钠离子电池也成为钠系电池不同与锂系电池的重要方面。钠离子和水溶液体系自身的化学性质是影响水性钠离子电池电极的材料体系开发应用的最主要因素。目前所报道的全电池体系大致可以分为以下两类:
(1)非对称电容型水性钠离子电池
在“电容负极/嵌入正极”型水性钠离子电池中,负极采用高比表面活性碳材料,反应原理为钠离子在表面的吸附/脱附反应;正极则采用高电势嵌钠化合物,反应过程为钠离子的嵌入脱出机理。因此,这类电池又称为混合型水系钠离子电容电池。
由于反应原理简单、原料丰富且价格低廉,这类材料体系非常适合诸如电网调峰、分布式储电等应用。美国Aquion Energy公司已将这种电池进行产业化开发。
(2)嵌入型水性钠离子电池
“嵌入负极/嵌入正极”水性钠离子电池的反应原理与锂离子电池的“扶摇椅式”反应体系相似,即充电过程表现为钠离子从正极富钠晶格中脱嵌出来进入溶液,同时溶液中钠离 子嵌入负极晶格;放电过程正好与之相反。
目前Alveo Energy公司正基于这种材料体系开发新型低成本水性电池。
3.中低温钠硫电池
在《储能产业研宄白皮是2011》中,我们曾对钠硫电池做过详细介绍,目前储能领域应用的钠硫电池通常需要较高的运行温度(300~40(TC),由于运行温度很高,对材料的性能、 生产工艺、电池的结构设计和系统的安全管理都提出了很高的要求,为此中低温钠硫电池成 为研宄的主要方向。
(1)中温钠硫电池
最近,美国西南太平洋国家实验室(PNNL)对中温Na-S电池进行了研宄,设计了平板式的钠硫电池结构并取得了较好的结果。该结构采用厚度为600um的β-Al2O3陶瓷片作为 固体电解质,Nal的四乙二醇二甲醚溶液作为阴极溶剂,在150℃下具有较好的电化学性能。
(2)室温钠硫电池
目前对室温Na-S电池的研宄借鉴了Li-S电池的概念,因此存在着与锂硫电池类似的问题。受限于硫正极电化学活性低、放电中间产物易溶于电解液等缺点,室温钠硫电池存在正 极活性物质利用率低、循环性能差等问题,严重影响了其性能发挥和实际应用。2014年中 科院化学所郭玉国研宄团队开创性地将小硫分子正极应用于钠硫电池中,并配合钠负极和碳酸酯电解液组装出室温下即可工作的原型电池。实验显示,该电池可实现良好的倍率性能, 循环寿命超过200周,是已报道室温钠硫电池体系中最高的。
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