近日，鳥取大學工學部教授坂口宏樹帶領的課題組與戶田工業聯合，將銻（Sb）添加到戶田工業自主研發的氧化鐵（Fe₂O₃）微粒中，開發出一種性能優秀的鈉離子負極材料，除了成功提高了電子導電性外，還成功抑制了內聚力。

戶田工業制造的氧化鐵

研究背景

鋰離子電池重量輕且能量密度高，目前已被廣泛用作便攜式電子設備的電源，未來有望進一步擴大和提高性能。但人們也擔心鋰資源的稀缺導致的成本問題會不會在未來影響鋰電池的使用。

另一方面，由于海水中幾乎取之不盡的鈉（Na）資源可廉價且大量獲得，因此鈉離子電池有望成為適用于大規模固定電源的廉價蓄電池。同時，氧化鐵（Fe₂O₃）作為一種廉價且資源豐富的材料也正被廣泛使用。

在坂口教授的研究中，他嘗試將戶田工業制造的超細氧化鐵顆粒用于鈉離子電池中。當用于負極時，所產生的超細Fe₂O₃顆粒提供了高充放電容量。然而，Fe₂O₃負極的電子導電率較低，反復充放電會導致Fe₂O₃顆粒在負極聚集，導致電絕緣和電極塌陷。因此，存在作為電極的耐久性低（充放電循環壽命短）的問題。

超細氧化鐵顆粒

研究進展

為了Fe₂O₃負極的缺陷，在研究中科學家將Sb、Sn、Bi、In、Zn、Al等各種不同性質的金屬與Fe₂O₃結合，試圖通過改善電流收集和抑制Fe₂O₃顆粒的聚集來解決該問題。他們以鈉離子電池為原型，對Fe₂O₃與多種金屬復合而成的電極進行了充放電測試。

結果證實，當僅將超細Fe₂O₃顆粒用于負電極時，它確會因電子傳導性差和顆粒聚集，使得容量在充電-放電循環期間迅速損失。即使通過與Al或Zn形成復合物也沒有改善該問題。另一方面，當使用通過與Na進行合金化反應而充當傳導路徑的Sn或Bi時，容量下降得到緩和。

最終科學家發現，與Na也能進行合金化反應的Sb與Fe₂O₃結合的電極極大地改善了從初始循環開始的容量下降，具有優異的循環穩定性。在充放電后對該電極的橫截面結構的檢查也表明，Sb的添加進一步抑制了導致容量下降的裂紋的發生。

左：采用氧化鐵負極的鈉離子電池組的原型；右：Sb與Fe₂O₃結合的負極微觀結構

根據這些結果，科學家認為介于Fe₂O₃顆粒之間的Sb隨著充電和放電期間的體積變化會發生膨脹和收縮，從而防止團聚并抑制電極結構的破壞。科學家認為，這一發現不僅對使用液體電解質的鋰離子電池和鈉離子電池有用，而且對使用固體電解質的電池也有用，有望為下一代蓄電池的材料開發做出貢獻。

粉體圈Coco編譯

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