研究人员用掺杂的碳阳极彻底革新可充电钠离子电池

随着电动推进船和其他车辆等技术的日渐普及，锂离子电池（LIB）等可充电电池的需求激增。但是，锂价格昂贵，这促使人们寻求其他选择。钠离子电池（SIB）是更可持续的替代方法，但在热力学上与石墨（通常的阳极材料）不稳定。

现在，韩国的研究人员开发了一种“杂原子掺杂”（改性）碳基阳极，该阳极可帮助SIB超越LIB的性能。

随着世界意识到迫在眉睫的环境危机，科学家已经开始寻找可持续的能源。可充电电池（如锂离子电池）正迅速普及，同时生产“绿色”技术，例如电动推进船（正在开发以满足国际海事组织的环境法规）和其他电动车辆。

但是，锂是稀有且难以分配的，这使锂的可持续性受到质疑，同时也存在成本急剧上升的风险。因此，研究人员转向了“钠离子电池”（SIB），它们在电化学上类似于锂离子电池，并具有钠含量更高，生产成本更低等优点。

但是，目前，SIB中的标准阳极材料是石墨，石墨在钠离子的作用下是热力学不稳定的，因而导致较低的“可逆容量”（衡量其存储能力）和性能不佳。

为此，韩国海事和海洋大学的研究人员着手寻找一种适用于SIB的非石墨阳极材料。首席科学家JunKang博士说：“由于SIB的性能低下-仅是锂离子电池容量的1/10-因此，找到一种能保持石墨的低成本和稳定性的高效阳极至关重要。”

现在，在发表在《电源》杂志上的最新研究（“最大化钠离子电池用碳基负极材料的倍率能力”）中，科学家们报告了以下策略来克服碳基负极材料的局限性：SIB：

1）采用分级的多孔结构，该结构能够促进Na+从电解质的主体区域到活性材料的界面的快速迁移；

2）保留较大的比表面积，其中Na+迁移至界面，可以在活性材料中轻松访问；

3）保留能够从表面到内部共嵌入的表面缺陷和孔结构；

4）通过可能具有短扩散路径的缺陷和孔保留插入到活性材料中的Na+中的纳米结构；

5）由于异质元素掺杂而由这些元素引起的外在缺陷而增加了活性位点的数量。这些策略导致电池的电化学性能得到显着改善，甚至超过了当前的锂离子电池！

在他们的两个以前的研究中，他们成功地测试使用磷和硫这种方法，将其功能上的封面碳（“高度磷掺杂碳作为超高速率阳极为钠离子电池的新型合成”）和ACS应用材料和界面（分别为“通过无序碳结构中的协调硫的新颖方法实现高效钠离子交换”）。

康博士对他们技术的各种潜在应用持乐观态度，例如在电力推进船和其他车辆，无人机甚至高性能CPU中。这五个因素提供了良好的容量保持能力，可逆容量，超高循环稳定性，高初始库仑效率（80％）和出色的速率能力。这意味着即使大量使用电池也可以长时间使用。”他解释说。

考虑到钠比锂的优势，这些发现无疑对可持续，廉价，高性能电池的工程设计具有重要意义，并且可以使我们更接近实现节能的未来。