钠离子电池--武汉大学杨汉西老师课件.ppt

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1、钠离子电池的研究与发展RecentDevelopmentofElectroactiveMaterialsforNa-ionBatteries武汉大学化学学院杨汉西2013.5.1研究背景关键材料与技术几类典型体系现状与展望主要内容：2一.研究背景在构建新能源社会中，规模储电是众多应用中的关键技术。对规模储电而言，首要因素是成本与环境效益，能量密度次之。风电、光电储存削峰填谷备用电源清洁交通能源3在各种电化学储电方式中，二次电池使用与维护最为方便。目前成熟的二次电池体系，几乎都不适合大规模储能应用。现有电化学储能体系的问题Pd-acid:污染Ni-MH:价格L

2、i-ion:资源4锂的资源问题全球锂资源基础储量（碳酸锂计）约为58M吨，可开采储量约为25M吨。目前全球碳酸锂年消耗量约为7至8万吨，预计可开采时间不过50多年。每KWh锂离子电池用锂量折合为碳酸锂约为1.4kg。2011年全球累计风电装机容量240GW(KMW)，8h储电需要2000K·MWh（1.5M吨）。TheTroublewithLithiumW.Tahil,MeridianInternationalResearch,2006；Islithiumthenewgold?J.M.Tarascon,NatureChemistry2010,2,510大多数

3、锂资源集中于海拔4000米以上高原盐湖，开发利用困难。5据日本2010年报告，若50%汽车替换为电动车，需要金属锂7.9M吨（折合为40M吨碳酸锂，接近全球资源储量58M吨）。Adv.EnergyMater.2012,DOI:10.1002/aenm.201200026锂资源能满足电动汽车吗？6替代电池体系？资源丰富，价格低廉，环境友好。元素储量（丰度wt%）电极电势/V比容量/mAh∙g-1Li0.0065-3.023880Na2.74-2.711165Ca3.45-2.871340Mg2.00-2.342230电化学方面与锂相近的元素有Na、Ca、Mg、

4、Al;能否构建二次钠电池，钙电池，镁电池,铝电池？Na替代Li的优点：资源用之不竭；环境更加友好；价格显著降低（钠盐价格通常为锂盐1/10).7二.钠离子电池的技术难点之一钠离子的离子半径（r=0.113nm）较锂离子（r=0.076nm)至少大35%以上，由此而引起：1.在刚性晶格中想对稳定，难于可逆嵌脱；2.即使能够实现可疑嵌脱，动力学速度很慢。-Li+8发展钠离子电池技术的难点在于材料，更难的是不知道如何去找材料。1.缺乏理论指导；2.缺乏具有示范意义的材料体系。简单地说，没思路、没方法、没样板主要工作是借鉴锂离子电池的材料，移植到钠离子体系，通过实验

5、筛选。尖晶石型，层状类，橄榄石型均试验过，大多令人失望。钠离子电池的技术难点之二9储钠炭负极材料热解硬碳.J.R.Dahn,J.Electrochem.Soc.,2000,147,1271.S.Wenzel,Adv.Ener.Envir.Sci.,2011,4,3342.S.Komaba,Adv.Funct.Mater.2011,21,3859–3867规整石墨结构、高温石墨化的碳中间相微球（MCMB）几乎没有嵌钠容量。部分热解硬碳可得到近280mAh/g的可逆嵌钠容量以及循环性，但初始不可逆容量较高，动力学性能差。石墨在含钠离子电解液中的充放电曲线10至今

6、并不清楚，规整石墨为何不能储钠？何种结构的热解炭适合储钠？储钠炭负极材料嵌入化学理论认为，随着碱金属原子半径减小，Cs→Li电离势增大，电荷向石墨转移难度增加，形成碱金属石墨化合物的趋势为：Cs>Rb>K>Na>Li.然而，实验证据与此相反。有人预测适合钠离子嵌脱的石墨层间距应在0.37~0.38nm左右。如何可控制备这种层间距、且比表面较小的硬碳，是嵌钠炭材料的重要课题。11钠离子正极材料嵌锂良好的结构用于嵌钠反应时也不尽人意。NaCoO2，NaFePO4,三元层状等结构用作钠离子正极时,几乎没有像样的容量和可逆性.从资源与成本考虑，金属氧化物储钠正极集中

7、在NaxMnO2体系。层状NaxMnO2随x值不同存在两种主要的晶体结构：NaxMnO2x0.5,P3相-3维隧道结构，Na0.44MnO2x0.5,P2相-层状结构，Na0.6MnO2差别在于，P3-隧道结构稳定，但可供钠离子的嵌入位点较少（x<0.5），比容量低；P2-层状具有较多的嵌钠位点，但在充放电过程中产生较大的结构变化，循环性能不稳定。12P3-Na0.44MO2型A.Caballero,et.al.J.Mater.Chem.,2002,12,1142层状P2-Na0.6MnO2:能提供较多的嵌钠位点，具有潜在高比容量的优势;但在充放电过程中

8、产生较大的晶格扭曲与形变，导致结构坍塌，循环性能差。