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

具有原料資源優(yōu)勢的鈉離子電池(SIBs)同樣也有成為大規(guī)模電化學(xué)儲能設(shè)備的潛力，因此受到廣泛研究，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快。

研究背景

近年來，具有原料資源優(yōu)勢的SIBs作為下一代電池而受到關(guān)注，目前它的商業(yè)化應(yīng)用主要依賴于高性能正、負(fù)極材料的開發(fā)。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(dǎo)致電壓下降。為了增加電池容量，科學(xué)家開始開發(fā)高容量負(fù)極材料。

研究進(jìn)展

研究表明，LIBs的理想負(fù)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(kuò)展碳層間距的硬炭(HC)被認(rèn)為是目前最成熟且最可能商業(yè)化的SIBs負(fù)極。硬碳通過在其內(nèi)部堆疊石墨烯并允許鈉離子利用它們之間的間隙中產(chǎn)生的微孔自由進(jìn)出而發(fā)揮負(fù)電極的作用。為了提高硬碳的容量，需要優(yōu)化這種孔隙結(jié)構(gòu)。

東京理科大學(xué)及其同事此前報道稱，他們已經(jīng)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(jìn)行模板合成，其性能與Mg相似。對于每種物質(zhì)，通過系統(tǒng)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(yōu)化硬碳。

結(jié)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(xiàn)出了優(yōu)異的性能——當(dāng)使用該負(fù)極材料制造鈉離子電池并進(jìn)行測量時，結(jié)果表明其表現(xiàn)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(xiàn)出381mAh/g的高能量密度。

據(jù)悉，這項研究可應(yīng)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(xiàn)不使用稀有元素的下一代電池。

粉體圈Coco編譯