钠电负极用碳材料的研究现状,具体内容包括:
1. 钠电发展进程:
- 钠离子电池的发展:为解决能源需求和锂资源有限的问题,钠离子电池因丰富的钠资源和与锂离子电池相似的电化学性能被深入研究,其能量密度高,在低速电动车、大规模储能等领域有良好应用前景,目前宁德时代已启动其产业化布局,但在能量密度上与锂离子电池仍有差距。
- 钠离子电池负极材料的发展:过去三十年因缺乏合适负极材料,SIBs研究被搁置,2010年以来大量材料被探索用作负极,目前研究最多的是资源丰富、稳定性高、成本低的碳材料。
2. 钠电负极用碳材料分类: - 硬碳材料:通过天然或生物质前驱体的化学或热处理产生,具有机械硬度高、能保持前驱体微/介孔形态等特点,许多天然生物质和合成聚合物可用于生产硬碳,提供良好的钠储存性能,原料也可通过特殊处理产生掺杂杂原子的非晶碳材料,提高电化学性能。
- 软碳材料:由半石墨结构组成,缺陷和无序程度相对较少,比硬碳具有更大的结晶度和更高的导电性,但软碳石墨域的狭窄层间距离容纳钠离子存在瓶颈,需通过电解质优化和合理设计纳米结构才能实现钠的存储。
- 石墨材料:传统石墨不能作为SIBs的有效负极材料,需进行特殊处理,如扩大层间间距或选择合适的电解质溶剂使Na⁺与溶剂分子共插层插入石墨层间,但存在电解质溶剂消耗、比容量低、插层电压高、体积膨胀等挑战。
- 杂原子掺杂碳材料:引入杂原子(如B、N、S和P)可提高碳负极材料的能力、表面润湿性以及电子电导率,促进电荷转移和电极/电解质的相互作用,多种杂原子掺杂碳材料作为SIBs的负极材料得到广泛探索,且研究了不同杂原子共掺杂对碳钠储存性能的影响。
3. 钠电的未来展望:SIBs目前的瓶颈在负极材料,虽然石墨在SIBs中遇到困难,但其他碳化合物如膨胀石墨、石墨烯、非晶碳等可提供优越的钠存储性能,今后对于钠电负极用碳材料的探索将更加深入。