钠离子电池

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。
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2.关键材料
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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：
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2.关键材料
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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
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
Baidu Nhomakorabea
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。
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
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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：
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)
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2.关键材料
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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，有毒
文献报告
报告人：陈亭儒
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1
主要内容
2
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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
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3
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
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
和经济效益
1.研究背景
4
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
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1.研究背景
5
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：
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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
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能性
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电池的核心部件 电池电化学性能
2.关键材料
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钠钴氧化合物 NaxCoO2
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
性，这类材料不适宜大规模应用。
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2.关键材料
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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
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。
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2.关键材料
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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
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4.现状与计划
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钠离子电池技术难点
一：由于钠离子半径大，导致其在刚性晶体中相对稳定，难于脱嵌；即 使能够进行可逆脱嵌，但动力学速度慢
二：钠离子电池正极材料的制备，没有过于新颖的创新思路，创新方法。 目前做的正极材料大多都是借鉴锂离子电池的材料，然后移植到钠离子 体系，通过实验筛选。尖晶石型，层状类，橄榄石型均试验过，其材料 性能都没有锂离子电池好。
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。。
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1.研究背景
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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/
mol-1
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3.合成与分析方法
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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。
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。