東京理科大學于2023年11月13日宣布，與日本國立材料科學研究所（NIMS）合作，成功合成了一種硬碳負極，可以提高鈉離子電池和其他設備的能量密度。

具有原料資源優勢的鈉離子電池(SIBs)同樣也有成為大規模電化學儲能設備的潛力，因此受到廣泛研究，產業化進程不斷加快。

研究背景

近年來，具有原料資源優勢的SIBs作為下一代電池而受到關注，目前它的商業化應用主要依賴于高性能正、負極材料的開發。但與鋰離子電池相比，SIBs中鈉的原子量較大，因此正極容量較小，Na⁺/Na電位比Li⁺/Li電位高0.2~0.3V ，導致電壓下降。為了增加電池容量，科學家開始開發高容量負極材料。

研究進展

研究表明，LIBs的理想負極材料石墨并不適用于SIBs。相比之下，作為碳基材料的一種，具有擴展碳層間距的硬炭(HC)被認為是目前最成熟且最可能商業化的SIBs負極。硬碳通過在其內部堆疊石墨烯并允許鈉離子利用它們之間的間隙中產生的微孔自由進出而發揮負電極的作用。為了提高硬碳的容量，需要優化這種孔隙結構。

東京理科大學及其同事此前報道稱，他們已經使用MgO作為模板合成了高容量硬碳。這項研究是對此的延伸。使用含有Zn和Ca的鹽作為起始材料進行模板合成，其性能與Mg相似。對于每種物質，通過系統地改變葡萄糖、葡萄糖酸鹽和乙酸鹽的組成比例來合成和優化硬碳。

結果表明，以ZnO為模板，以葡萄糖酸鋅和醋酸鋅的組成比為75:25為原料合成硬碳時，最高可逆容量為464 mAh/g，初始庫侖效率為91.7%，表現出了優異的性能——當使用該負極材料制造鈉離子電池并進行測量時，結果表明其表現出312Wh/kg的極高能量密度，可與鋰離子電池相媲美。此外，鉀離子電池也表現出381mAh/g的高能量密度。

據悉，這項研究可應用于制備具有高能量密度的鈉離子和鉀離子電池，并有望實現不使用稀有元素的下一代電池。

粉體圈Coco編譯