钠离子电池的研究进展论文

成果简介

有机化合物材料环保，资源丰富，结构通用性强，组装成本低，被公认为阴极材料用于锂离子和钠离子电池。然而，有机化合物固有的较高溶解度和较低电导率材料严重影响其工业应用。 本文，青岛大学Cunguo Wang（第一作者）与中科院苏州纳米所等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater.》期刊 发表名为“High-Performance PDB Organic Cathodes Reinforced by 3D Flower-like Carbon for Lithium-/Sodium-Ion Batteries”的论文， 研究报告了一种具有三维花状多孔碳结构(PDB/3D-FC) 的聚（2,3-二硫-1,4-苯醌）复合材料。

原位聚合方法使得PDB的分布更均匀，并且三维花状多孔碳结构防止 PDB 的积累。此外，PDB/3D-FC 的分级多孔结构为电子/离子提供了有效的传输路径。受益于理想的制造策略和精心挑选的材料中，DB/3D-FC电极在锂离子电池中显示出203 mAh g–1的优良倍率容量，在钠离子电池中显示出183 mAh g–1的优良倍率容量。本文报道的制备策略是通用的，适用于增强其他有机电极的电化学特性材料.

图文导读

图1. 由导电碳和有机材料组装PDB/3D-FC电极的方案

图2. 形态和成分分析

方案1. 制备聚合物PDB的合成路线

图3. (a) 3D-FC 和 PDB/3D-FC 的 XPS 光谱。(b) 3D-FC 的高分辨率 N1s 光谱。(c) S 2p 和 (d) C 1s 的 PDB/3D-FC 的 XPS 光谱。

图4. 用于 LIB 的 PDB/3D-FC 阴极的电化学性能。

图5. SIBs的PDB/3D-FC阴极的电化学性能。

文献：

科学家们发现了钠离子电池（sib）所需要的成分，这有助于提高sib的性能，如充电速度。尽管锂离子电池目前很受欢迎，但由于锂不仅昂贵而且有限，人们预计锂离子电池将很快找到新能源。研究结果表明，SiB有可能成为锂离子电池的替代品。

在无机晶体结构数据库中对约4300种化合物进行了钠迁移能的高通量计算，该化合物确实表现出优异的高速率性能和循环耐久性；详细地说，该化合物表现出稳定的10C循环，其完全充电的速率仅为6分钟。/在室温下进行50次充放电循环后，放电和约94%的容量保持率。这些结果与钠离子电池的典型阴极材料相当或优于后者。

日本名古屋理工学院（Nitech）的研究人员已经证明，一种特殊的材料可以作为钠离子电池的高效电池组分，与锂离子电池在多个电池特性，特别是充电速度方面进行竞争。

研究结果发表在2018年11月的科学报告中，由Nitech高级陶瓷系助理教授Naoto Tanibata博士领导。

流行的锂离子电池有几个好处——它们是可充电的，应用范围很广。它们被用于笔记本电脑和手机等设备，以及混合动力和全电动 汽车 。电动 汽车 是解决农村污染和实现清洁可持续交通的重要技术，在解决能源和环境危机方面发挥着重要作用。锂的一个缺点是它是一种有限的资源。不仅价格昂贵，而且其年产量（技术上）有限（由于干燥过程）。考虑到对电池驱动装置尤其是电动 汽车 的需求不断增加，寻找锂的替代品的需求变得越来越迫切，锂既便宜又丰富。

由于多种原因，钠离子电池是锂离子电池的一种有吸引力的替代品。钠不是一种有限的资源——它在地壳和海水中都很丰富。此外，在适当的晶体结构设计下，钠基组分有可能产生更快的充电时间。然而，钠不能简单地与锂交换，锂用于目前的电池材料，因为它是一个较大的离子尺寸和略有不同的化学。因此，研究人员需要在大量的候选材料中，通过试错法寻找最佳的钠离子电池材料。

Nitech的科学家们已经找到了解决这个问题的合理而有效的方法。从晶体结构数据库中提取约4300种化合物，并对其进行高通量计算后，其中一种化合物获得了良好的结果，因此是钠离子电池组分的一个很有前景的候选化合物。研究人员发现，Na2V3O7具有良好的电化学性能以及晶体和电子结构。该化合物具有快速充电性能，能在6分钟内稳定充电，研究人员还证明了该化合物具有较长的电池寿命和较短的充电时间。

“我们的目标是解决大型电池在电动 汽车 等严重依赖长时间充电的应用中面临的最大障碍。我们通过一项搜索来解决这个问题，该搜索将产生足够高效的材料，以提高电池的速率性能。”

尽管Na2v3o7具有良好的特性和对钠离子电池的总体预期影响，但研究人员发现，在最后的充电阶段，Na2v3o7发生了劣化，这将实际存储容量限制在理论存储容量的一半。因此，在他们未来的实验中，研究人员致力于提高这种材料的性能，以便在整个充电阶段保持稳定。”我们的最终目标是建立一种方法，使我们能够通过计算和实验相结合的方法来有效地设计电池材料，”Tanibata博士补充道。

文献引用：

Naoto Tanibata、Yuki Kondo、Shohei Yamada、Masaki Maeda、Hayami Takeda、Masanobu Nakayama、Toru Asaka、Ayuko Kitajou、Shigeto Okada。纳米管结构的Na2V3O7作为钠离子电池的阴极材料，具有高速率和稳定的循环性能。科学报告，2018年；8（1）doi: