新能源汽车电池——钠离子电池

近年来，由于在我们日常生活中的便携式电子产品中的广泛应用，锂离子电池一直是储能研究和开发的重点。随着全球能源存储需求在越来越多的领域的不断增长，如电动汽车、混合动力汽车,特别是用于缓冲间歇性能源的大型电网储能(太阳能、风能、潮汐能等领域，锂离子电池由于受制于锂的成本和有限的可用性，无法满足社会的需求。因此，除了锂离子电池之外还需要还发其他的电池技术。

钠离子电池是一种很有应用前景的电池。地球上Na资源的储存量比Li资源高一千倍以上，Na资源的开发成本比锂的开采成本低很多。而且钠和Li元素在元素周期表中位于相同的主族，具有类似的化学物理性质，这也使得钠作为二次电池的储能介质具有与Li类似的机制。但是由于钠离子的离子半径大于Li离子，使得钠离子难以插入到现有的活性电极材料中，这也导致了Na离子电池发展和应用的严重迟缓。因此研究开发高性能、低成本的钠离子电池电极材料，特别是阳极电池材料具有重要意义。目前科学家已经开发了很多种针对钠离子电池的阳极电池材料，其中碳基材料以其丰富、低电位、低成本等优点引起了研究人员的极大兴趣，这些优点对钠离子电池的实际应用都具有重要意义。但是碳基阳极的钠离子电池电容量有限，初始库伦效率较低，实际应用中速率性能较差，因此开发新型碳基的阳极材料是目前钠离子电池研究的热点领域。

近日，天津大学郑春明团队与加州大学的GalenD.Stucky团队合作，从超级电容器的启发，开发了一种蜂窝状富氮的分层多孔碳作为高速率阳极材料具有超稳定的可循环性，能够显著提高钠离子电池的性能。研究团队以甘氨酸为碳氮前体，氯化钠为模板，喷雾干燥后在流动氨气下热解合成了具有膨胀层间距、高度无序的分层多孔碳。分层多孔碳的无序相位和扩展的层间距离降低了Na离子的插入壁垒，从而提高了Na离子的存储速率能力。分层多孔碳中丰富的氮掺杂产生了丰富的缺陷，提高了电化学活性。同时，分层次多孔结构和氮掺杂在一起，给碳基阳极材料带来了突出的储能性能和优良稳定的循环性能，在500mA/克的电流密度下，充电放电循环3000次后，还可以提供255.9mA*h/克的可逆放电容量。即使在较高的电流密度(5000mA/克)和超长循环(10000循环)下，也能获得101.4mA*h/克的可逆容量，与第1000循环相比保留97.3%的放电容量，这也证明了分层多孔碳具有优良的速率性能和循环稳定性。

随后，研究团队以分层多孔碳为阳极，以Na3V2(PO4)3/C为阴极组成了全电池和更大的可穿戴全电池。在100Ma/克的电流密度下，经过循环100次后还能在1-3.9伏特的电压范围内，提供238.7mA*h/克的可能电量，与第二次循环相比，保留了95.3%的电量。可穿戴电池表现出优良的功率输出。这两个结果表现出了分层多孔碳在钠离子电池中的实际应用前景。

相比于锂离子电池，钠离子电池造价成本更低，希望这样的电池技术能早日出现在我们的日常生活中。期待新一代电池体系早日应用。