2019/01/18

钠离子电池代替锂离子更近一步 

由于锂资源在全球范围内逐渐减少,下一代便携电子设备将可能不再采用锂离子电池供电。其中一个引人注目的潜在替代者便是钠离子电池,这是因为钠元素廉价、无毒且储量丰富。

目前,钠离子电池最大的缺点之一是电池的充、放电时间过长,同时缓慢的放电速率不能给大功率设备输出足够的功率密度。一般而言,在充、放电速率和容量之间有一个权衡,以便在提高充、放电速率的同时不会显著降低电池容量。

近日由德国伊尔梅瑙工业大学Yong Lei教授领导的一项新研究发表在《美国化学学会期刊》上。该研究在钠离子电池方面取得了重大的进步。研究人员展示了一种钠离子电池,其充、放电速率和容量达到了有机钠离子电池和锂离子电池的最大值。这一成果有助于为钠离子电池在便携设备和可穿戴电子产品中的应用铺平道路。

为了提高钠离子电池性能,研究人员不得不从钠的最基本性质开始考虑。通过测量钠和锂的电化学势可知它们都易失去电子。这意味着它们可以成为很好的阳极材料。然而,钠离子尺寸比锂离子大了25%。更大的尺寸使钠离子很难嵌入发生化学反应所在的电极晶体结构中。因此钠离子的移动速率就比较慢,这成为了钠离子电池充、放电速率慢的根源。与该问题相关的还有电荷传输速率和材料的稳定性也需要提高。

尽管不能减少钠离子的大小,但可以提高钠离子嵌入到电极的效率。为了做到这一点,研究人员在扩展π-共轭结构电极材料的基础上采用了分子设计策略,进一步操纵了这些分子互相键合的方式。这种设计在物理结构上会形成由多个宽间隔的层组成的平台结构,层间形成一个钠离子可以更快通过的路径。这种延伸π-共轭体系同时也能提高电荷传输速率,使充、放电状态下的电极更稳定,更好地承受钠离子的快速嵌入和脱出。

结构变化也导致了电池性能的显著改善。虽然同样还存在着充放电速率和容量之间的权衡。但新型钠离子电池可以在容量高达72mAh/g时,比之前报道的有机钠离子电池高1000倍(10A/g对100mA/g)的电流密度下工作(电流密度是电流充放电速率的一种表征)。

在中等电流密度下(1 A/g),新型电池的可逆容量达到令人吃惊的160mAh/g,这一数值是迄今为止有机钠离子电池和锂离子电池所报道的最大值之一。

基于这项研究,科学家们计划采用分子设计策略和其他创新的方法进一步提高电池性能。

Lei说:“我们将继续专注于钠离子电池,目前关于有机钠离子电池的报道很少。因此对于有机钠离子电池的研究还有很长的路要走。未来的目标包括:1)提高阴极和阳极的容量和循环特性;2)提高阴极和阳极的速率特性;3)调整电化学势使电池达到合适的输出电压;4)发展环境友好和低成本材料。”

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