科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈉離子電池陽極的儲(chǔ)能機(jī)制

來自斯科爾科沃科學(xué)和技術(shù)學(xué)院(Skoltech)和莫斯科國立大學(xué)(MSU)的科學(xué)家們確定了與鈉離子電池(SIB)陽極材料中的電荷存儲(chǔ)相關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)類型，這是一類很有前途的新型電化學(xué)電源。他們的研究結(jié)果以及該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的陽極制造方法將有助于使SIB在俄羅斯及其他地區(qū)的商業(yè)化進(jìn)程更加接近。該研究發(fā)表在《Electrochimica Acta》上。

如今，鋰離子電池(LIB)是最受歡迎的電化學(xué)電源，被廣泛應(yīng)用于從手機(jī)(幾瓦時(shí))到發(fā)電廠的緩沖系統(tǒng)(數(shù)百萬瓦時(shí))的各種領(lǐng)域。對(duì)鋰離子電池的需求和存儲(chǔ)設(shè)備的平均尺寸都在不斷增長(zhǎng)，然而這種增長(zhǎng)趨勢(shì)卻遇到了多重障礙，如鋰鹽的高成本、全球鋰儲(chǔ)量有限以及各國含鋰礦床分布不均等。為了克服這些障礙，包括俄羅斯在內(nèi)的全球科學(xué)家都在研究SIB，這種替代技術(shù)可能會(huì)挑戰(zhàn)LIB和廣泛使用的鉛酸電池。

鈉是地殼中第六大常見元素。與鋰相比，其鹽類的價(jià)格要便宜100倍左右。雖然在化學(xué)性質(zhì)上與鋰相似，但鈉還有其他的區(qū)別，這就需要在SIB設(shè)計(jì)中采用新的方法。電池由三個(gè)主要部分組成：陰極、陽極和電解質(zhì)。陰極或電解質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)有廣泛的多樣性，而陽極仍然是一個(gè)絆腳石。成功用于LIB的石墨不能用于SIB，因?yàn)樘剂呅魏外c陽離子的尺寸相差太大，無法提供夾層。硬碳似乎是唯一可以真正用于陽極的材料。由扭曲的石墨狀層的不規(guī)則排列形成的硬碳表現(xiàn)出與LIB中的石墨相當(dāng)?shù)拟c離子存儲(chǔ)性能，然而仍然不清楚為什么以及如何發(fā)生這種情況。

"關(guān)于鈉如何被引入硬碳中，有幾種假說。在我們的研究中，我們驗(yàn)證并稍微擴(kuò)展了其中的一個(gè)假設(shè)。我們發(fā)現(xiàn)，硬碳表現(xiàn)出夾層型行為，以積累大部分電荷，這是個(gè)好消息。夾層正是電池所需要的，而與 "假電容 "相關(guān)的表面過程則是超級(jí)電容器的責(zé)任，它在化學(xué)電源中形成了一個(gè)非常狹窄的發(fā)展空間。有趣的是，我們的日本同事，也是我們的主要研究者和MSU博士生的研究導(dǎo)師Zoya Bobyleva一開始就持有完全不同的觀點(diǎn)。他是世界上SIB和硬碳領(lǐng)域的頂級(jí)專家之一，我們很難說服他我們是對(duì)的，但我們做到了!"Skoltech能源科技中心(CEST)和MSU的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和高級(jí)研究科學(xué)家Oleg Drozhzhin說。

去年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位 "開發(fā)鋰離子電池 "的科學(xué)家。其中一位獲獎(jiǎng)?wù)咭獨(dú)w功于硬碳，這種負(fù)極材料在大約三十年前給鋰離子電池技術(shù)帶來了生命，后來被石墨取代?，F(xiàn)在，硬碳可以再次催生一項(xiàng)新技術(shù)。

"這項(xiàng)工作非常了不起，不僅展示了硬碳在鈉離子體系中的工作原理，而且找到了一種方法，可以生產(chǎn)出與LIB中石墨容量相當(dāng)?shù)某^300mAh/g的硬碳。創(chuàng)建和優(yōu)化一種新的方法需要付出很多艱辛的努力，而這些努力通常都停留在幕后，幾乎沒有在科學(xué)論文中報(bào)道過，所以對(duì)我們來說，展示最終的成果很重要：我們成功地制造出了好的SIB陽極材料，我們知道它們是如何工作的。"MSU化學(xué)學(xué)院電化學(xué)系主任、Skoltech教授Evgeny Antipov評(píng)論道。