钠离子电池 ppt课件
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安全性问题—在锂离子电池中，除了正常的充放电外，还存在很多放热副反应， 1 电池温度过高或充电电压过高时，放热副反应就可能会被引发从而引起一系列安
全问题。
成本问题—高昂的成本是制约锂离子电池普及使用的一个重要因素。LiCoO2是研 2 究最早且技术最成熟的锂离子电池正极材料，在锂离子电池正极材料市场占主导
钠离子电池
2.关键材料
8
世界上最早的钠电池—20世纪60年代由美国福特公司发明了以金属钠为负极，硫为正极的 高温钠硫电池，经过半个世纪的发展，钠电池主要有钠硫电池（Na－S），钠/氯化镍电池 （Zebra电池）两种体系。
钠硫电池在300 ℃以上的高温环境下工作，当电解质管破 裂或者渗漏时，高温的液态钠和液态硫直接接触发生剧烈 反应，释放大量热，甚至引起电池爆炸
2.扫描电镜(SEM)的表征：客观地反映固体试样的表面微观形貌、 颗粒形状及粒度分布、表面成分分布等信息。
3.透射电镜(TEM)的表征：用于分析材料内部的微观组织形貌、相变、 缺陷等有关晶体结构的信息
4.循环伏安(CV)的分析
5.电化学交流阻抗的分析
6.充放电测试：得到电极材料的充放电曲线、比容量、循环性能、 倍率性能、开路电压及极化电压等基本的电化学性能参数
钠离子电池
钠离子电池
报告人：陈亭儒
2
主要内容
3
钠离子电池
1.研究背景
化石能源逐渐枯竭—能源短缺
开发新能源
化石能源燃烧—环境污染
锂离子电池
钠离子电池
4
太阳能，风能等是可再生清 洁能源，具有总量大，能量 密度低，随机性，间歇性等 特点，容易受到自然条件的 限制。因此并不能较好的利 用它们。
能量转换和储 存的可充电电 池具有广阔的 市场应用前景
和经济效益
1.研究背景
5
锂离子电池优点
高能量密度 循环寿命长 工作电压高 无记忆效应 工作温度范围宽 自放电小
钠离子电池
1.研究背景
6
虽然是作为最先进的储能二次电池的锂离子电池，已广泛应用于 小型电子产品并有可能成为未来新能源汽车的动力电池以及大规 模储能工程的配套电源。但是锂离子电池又有其存在的问题：
钠离子电池
4.现状与计划
由于钠离子的离子半 径(97pm)比锂离子的 离子半径(68pm)要大， 并且钠单质的比容量 是锂单质比容量的三 分之一还不到，这就 造成了目前研究出的 钠离子正极材料的性 能，电压平台，比容 量，循环性能等都没 有锂离子正极材料好， 如右图所示：
钠离子电池
16
4.现状与计划
钠离子电池
14
3.合成与分析方法
15
通常，前驱体的制备有很多方法，包括固相球磨法，燃烧法，喷雾干燥，溶胶凝胶法等等。
1.X射线衍射(XRD)分析：分析试样中的物相组成、晶体结构 及其晶胞参数等重要数据
而制成正极材料之后，会对 样品进行一系列的分析与测 试，然后进行半电池的组装， 并测定其电化学性能。
17
钠离子电池技术难点
聚阴离子型
过渡金属磷酸钠盐 NaMPO4(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)
过渡金属氟磷酸钠盐 NaMPO4F(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)
钠离子电池
2.关键材料
12
钠钴氧化合物 NaxCoO2
最早被研究的一类储钠正极材料。x的表示钠离子的含量，钠离子含量的不
同，其在 CoO2层间的配位环境就会相应地发生变化。但是研究表明此类材 料的容量不高，循环性能也不尽人意，另外，钴资源短缺，价格昂贵，有
是一类较稳定的正极体系。一般以橄榄石型或 NASICON 型结构(钠超离子 导体，通式化学通式为 Na3M2(PO4)3)稳定存在，含有开放性的结构骨架和 较大的离子通道。由于PO43-的诱导效应，这类化合物具有比氧化物更高的 理论电压。
钠离子电池
2.关键材料
钠离子电池负极材料
碳基负极材料 合金类负极材料 其他储钠负极材料
地位，但是钴资源匮乏，价格昂贵，直接导致电池成本高。
锂资源短缺—我国的锂储量十分有限，仅占地壳的0.0065%，并且分布不均， 3 我国主要集中在青海，西藏等偏远地区，开发利用会有很多困难。。
钠离子电池
1.研究背景
7
基于上述原因，研究人员又将目光转向了与锂同一主族的钠上面了。
金属
原子量/ g 密度/
这类高温钠电池需在高温环境下工作，这将涉及到保 温和能耗问题，大大影响电池的实际性能。
由于以金属钠为负极的钠电池体系存在很大的安全隐患，目前还不能找到有效的解
决之道。因此，研究者提出以可储存钠离子的电极材料代替金属钠，发展钠离子电
池。
钠离子电池
2.关键材料
9
钠离子电池工作原理：与锂离子电池类似，属于“摇椅式电池”，通过钠离子在正负极间的嵌入与 脱嵌，进行充放电循环。其主要的工作原理如下图所示：
mol-1
g cm-3
表1 钠单质与锂单质的比较
离子半径/ 价态变化 比容量/
pm
mAh g-1
标 准 电 势 地壳丰度 价格/
/Vvs.SHE
元 kg-1
Li
6.94
0.534
68
1
3862
-3.04
0.006% ~40
Na
22.99
0.968
97
1
1166
-2.7
2.64% ~2
同锂离子电池相比，钠离子电池更适合作为大规模储能的器件，其具有三个方面的优势： 1.相对于锂元素而言，钠元素的标准电极电位高 0.3V，作为储能材料而言有更好的安全 性能；2.钠元素在地球上的储量丰富，地壳中金属钠的含量达到了 2.64%，并且钠元素 分布广泛，海水中就存在有丰富储量，开发方便；3.钠单质价格非常便宜。
钠离子电池
2.关键材料
与锂离子电池类似
钠离子电池体系构成
正极材料 负极材料 电解液 隔膜 电池外壳
钠离子电池
能性
10
电池的核心部件 电池电化学性能
2.关键材料
11
钠钴氧化合物 NaxCoO2
Biblioteka Baidu
氧化物型
钠锰氧化合物NaxMnO2 钠基多元过渡金属化合物
钠离子电池正极材料
钠钒氧化合物 过渡金属氟化物 MFx—是近年来发展起来的具有较大应用前景的新型正极材
毒性，这类材料不适宜大规模应用。
钠离子电池
2.关键材料
13
钠锰氧化合物NaxMnO2
是一类重要的钠离子正极材料。x大小的不同，其材料的晶体结构变化也非 常大。
NaxMnO2
x 0.5, P3相- 3维隧道结构，Na 0.44MnO2 x0.5, P2相- 层状结构， Na 0.6MnO2
过渡金属(氟)磷酸钠盐
全问题。
成本问题—高昂的成本是制约锂离子电池普及使用的一个重要因素。LiCoO2是研 2 究最早且技术最成熟的锂离子电池正极材料，在锂离子电池正极材料市场占主导
钠离子电池
2.关键材料
8
世界上最早的钠电池—20世纪60年代由美国福特公司发明了以金属钠为负极，硫为正极的 高温钠硫电池，经过半个世纪的发展，钠电池主要有钠硫电池（Na－S），钠/氯化镍电池 （Zebra电池）两种体系。
钠硫电池在300 ℃以上的高温环境下工作，当电解质管破 裂或者渗漏时，高温的液态钠和液态硫直接接触发生剧烈 反应，释放大量热，甚至引起电池爆炸
2.扫描电镜(SEM)的表征：客观地反映固体试样的表面微观形貌、 颗粒形状及粒度分布、表面成分分布等信息。
3.透射电镜(TEM)的表征：用于分析材料内部的微观组织形貌、相变、 缺陷等有关晶体结构的信息
4.循环伏安(CV)的分析
5.电化学交流阻抗的分析
6.充放电测试：得到电极材料的充放电曲线、比容量、循环性能、 倍率性能、开路电压及极化电压等基本的电化学性能参数
钠离子电池
钠离子电池
报告人：陈亭儒
2
主要内容
3
钠离子电池
1.研究背景
化石能源逐渐枯竭—能源短缺
开发新能源
化石能源燃烧—环境污染
锂离子电池
钠离子电池
4
太阳能，风能等是可再生清 洁能源，具有总量大，能量 密度低，随机性，间歇性等 特点，容易受到自然条件的 限制。因此并不能较好的利 用它们。
能量转换和储 存的可充电电 池具有广阔的 市场应用前景
和经济效益
1.研究背景
5
锂离子电池优点
高能量密度 循环寿命长 工作电压高 无记忆效应 工作温度范围宽 自放电小
钠离子电池
1.研究背景
6
虽然是作为最先进的储能二次电池的锂离子电池，已广泛应用于 小型电子产品并有可能成为未来新能源汽车的动力电池以及大规 模储能工程的配套电源。但是锂离子电池又有其存在的问题：
钠离子电池
4.现状与计划
由于钠离子的离子半 径(97pm)比锂离子的 离子半径(68pm)要大， 并且钠单质的比容量 是锂单质比容量的三 分之一还不到，这就 造成了目前研究出的 钠离子正极材料的性 能，电压平台，比容 量，循环性能等都没 有锂离子正极材料好， 如右图所示：
钠离子电池
16
4.现状与计划
钠离子电池
14
3.合成与分析方法
15
通常，前驱体的制备有很多方法，包括固相球磨法，燃烧法，喷雾干燥，溶胶凝胶法等等。
1.X射线衍射(XRD)分析：分析试样中的物相组成、晶体结构 及其晶胞参数等重要数据
而制成正极材料之后，会对 样品进行一系列的分析与测 试，然后进行半电池的组装， 并测定其电化学性能。
17
钠离子电池技术难点
聚阴离子型
过渡金属磷酸钠盐 NaMPO4(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)
过渡金属氟磷酸钠盐 NaMPO4F(M=Fe，Co，Ni，Mn，V)
钠离子电池
2.关键材料
12
钠钴氧化合物 NaxCoO2
最早被研究的一类储钠正极材料。x的表示钠离子的含量，钠离子含量的不
同，其在 CoO2层间的配位环境就会相应地发生变化。但是研究表明此类材 料的容量不高，循环性能也不尽人意，另外，钴资源短缺，价格昂贵，有
是一类较稳定的正极体系。一般以橄榄石型或 NASICON 型结构(钠超离子 导体，通式化学通式为 Na3M2(PO4)3)稳定存在，含有开放性的结构骨架和 较大的离子通道。由于PO43-的诱导效应，这类化合物具有比氧化物更高的 理论电压。
钠离子电池
2.关键材料
钠离子电池负极材料
碳基负极材料 合金类负极材料 其他储钠负极材料
地位，但是钴资源匮乏，价格昂贵，直接导致电池成本高。
锂资源短缺—我国的锂储量十分有限，仅占地壳的0.0065%，并且分布不均， 3 我国主要集中在青海，西藏等偏远地区，开发利用会有很多困难。。
钠离子电池
1.研究背景
7
基于上述原因，研究人员又将目光转向了与锂同一主族的钠上面了。
金属
原子量/ g 密度/
这类高温钠电池需在高温环境下工作，这将涉及到保 温和能耗问题，大大影响电池的实际性能。
由于以金属钠为负极的钠电池体系存在很大的安全隐患，目前还不能找到有效的解
决之道。因此，研究者提出以可储存钠离子的电极材料代替金属钠，发展钠离子电
池。
钠离子电池
2.关键材料
9
钠离子电池工作原理：与锂离子电池类似，属于“摇椅式电池”，通过钠离子在正负极间的嵌入与 脱嵌，进行充放电循环。其主要的工作原理如下图所示：
mol-1
g cm-3
表1 钠单质与锂单质的比较
离子半径/ 价态变化 比容量/
pm
mAh g-1
标 准 电 势 地壳丰度 价格/
/Vvs.SHE
元 kg-1
Li
6.94
0.534
68
1
3862
-3.04
0.006% ~40
Na
22.99
0.968
97
1
1166
-2.7
2.64% ~2
同锂离子电池相比，钠离子电池更适合作为大规模储能的器件，其具有三个方面的优势： 1.相对于锂元素而言，钠元素的标准电极电位高 0.3V，作为储能材料而言有更好的安全 性能；2.钠元素在地球上的储量丰富，地壳中金属钠的含量达到了 2.64%，并且钠元素 分布广泛，海水中就存在有丰富储量，开发方便；3.钠单质价格非常便宜。
钠离子电池
2.关键材料
与锂离子电池类似
钠离子电池体系构成
正极材料 负极材料 电解液 隔膜 电池外壳
钠离子电池
能性
10
电池的核心部件 电池电化学性能
2.关键材料
11
钠钴氧化合物 NaxCoO2
Biblioteka Baidu
氧化物型
钠锰氧化合物NaxMnO2 钠基多元过渡金属化合物
钠离子电池正极材料
钠钒氧化合物 过渡金属氟化物 MFx—是近年来发展起来的具有较大应用前景的新型正极材
毒性，这类材料不适宜大规模应用。
钠离子电池
2.关键材料
13
钠锰氧化合物NaxMnO2
是一类重要的钠离子正极材料。x大小的不同，其材料的晶体结构变化也非 常大。
NaxMnO2
x 0.5, P3相- 3维隧道结构，Na 0.44MnO2 x0.5, P2相- 层状结构， Na 0.6MnO2
过渡金属(氟)磷酸钠盐