首先，我們來說一下為什麼要開發鈉離子電池。我國的電池主要應用在三大產業，即電動汽車
、儲能和消費電子。圍繞這三個方向，尤其近幾年電動汽車和儲能領域發展迅速，主打是鋰離子電池。動力電池在2015年增長了80%左右，而在2016年已經突破了30GWh，suizhierlaidejiushilidianchidefeiqihexunhuanwentituxian，erqielideziyuanyeyouxian。yucitongshi，chunengyeshimuqianfazhanhenkuaidechanye，youqiweidianwangfangmianhuiyoudaliangdechunengxuqiu
，dao2020年，預計儲能可以比2015年增長3倍。這麼大量的電池需求，如果全用鋰離子電池的話，存在兩個問題：一(yi)個(ge)是(shi)鋰(li)的(de)資(zi)源(yuan)問(wen)題(ti)，一(yi)個(ge)是(shi)鋰(li)的(de)循(xun)環(huan)利(li)用(yong)問(wen)題(ti)。所(suo)以(yi)在(zai)鋰(li)電(dian)池(chi)之(zhi)後(hou)，我(wo)們(men)還(hai)有(you)新(xin)的(de)選(xuan)擇(ze)。這(zhe)就(jiu)涉(she)及(ji)到(dao)用(yong)什(shen)麼(me)樣(yang)的(de)電(dian)池(chi)體(ti)係(xi)，用(yong)什(shen)麼(me)樣(yang)的(de)材(cai)料(liao)。基(ji)於(yu)這(zhe)種(zhong)考(kao)慮(lv)，我(wo)們(men)能(neng)不(bu)能(neng)找(zhao)出(chu)儲(chu)量(liang)更(geng)豐(feng)富(fu)，材(cai)料(liao)更(geng)便(bian)宜(yi)的(de)體(ti)係(xi)呢(ne)，最(zui)後(hou)我(wo)們(men)選(xuan)擇(ze)了(le)鈉(na)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)。

 

對於鈉離子電池我們關注的焦點，一個是成本要低，正極材料要去鋰脫鈷，不用鋰離子，也不用成本較高的鈷原料
；第二是在電動車和儲能方麵都要求電池壽命要長；第三是安全性要好
；最後是能量密度要比較合適。

 

鈉na離li子zi電dian池chi和he鋰li離li子zi電dian池chi的de反fan應ying機ji理li相xiang近jin
，正zheng極ji材cai料liao除chu了le磷lin酸suan鹽yan或huo氟fu化hua磷lin酸suan鹽yan以yi外wai
，還hai可ke以yi用yong鎳nie錳meng層ceng狀zhuang過guo渡du金jin屬shu氧yang化hua物wu。在zai負fu極ji材cai料liao方fang麵mian可ke選xuan擇ze碳tan類lei、合金和化合物。在三大類負極材料中，我們還是選擇最便宜的碳材料。我們對於負極碳材料又進行了軟碳、硬碳和石墨烯三個分類的研究。

 

我們最近的一些研究成果，其中一個是采用層狀結構Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作zuo正zheng極ji材cai料liao。經jing過guo實shi驗yan研yan究jiu和he比bi較jiao，在zai製zhi備bei正zheng極ji原yuan材cai料liao的de使shi用yong上shang，我wo們men認ren為wei使shi用yong醋cu酸suan鹽yan或huo草cao酸suan鹽yan更geng好hao。根gen據ju文wen獻xian報bao道dao，正zheng極ji材cai料liao如ru果guo隻zhi用yong鎳nie錳meng氧yang化hua物wu，它ta的de循xun環huan性xing能neng和he充chong電dian到dao高gao電dian位wei時shi的de穩wen定ding性xing較jiao差cha。所suo以yi有you文wen獻xian報bao道dao可ke以yi用yong鎂mei摻chan雜za，替ti代dai鎳nie位wei
，這zhe樣yang的de話hua期qi待dai它ta的de容rong量liang可ke以yi更geng高gao
，這zhe種zhong方fang法fa對dui於yu獲huo得de高gao能neng量liang密mi度du的de鈉na離li子zi電dian池chi是shi很hen有you幫bang助zhu的de。除chu了le鎂mei以yi外wai，其qi他ta摻chan雜za的de元yuan素su可ke不bu可ke以yi呢ne？我wo們men選xuan擇ze與yu替ti代dai元yuan素su離li子zi半ban徑jing相xiang近jin的de元yuan素su做zuo摻chan雜za，比bi如ru替ti代dai鎳nie位wei，我wo們men選xuan了le鋯gao（Zr）離子和銅（Cu）離子進行摻雜。材料摻雜後與摻雜前電化學性能和循環性能都有提高
，Zr摻雜和Cu摻雜相比
，Cu摻雜的循環穩定性更好。

 

負極方麵，由於軟碳材料處理的方法比較多，我們嚐試了用磷摻雜軟碳。摻雜磷後放電容量可以提高30%以(yi)上(shang)
，循(xun)環(huan)特(te)性(xing)好(hao)。為(wei)什(shen)麼(me)摻(chan)磷(lin)後(hou)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)提(ti)高(gao)呢(ne)？這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)摻(chan)磷(lin)後(hou)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)鈉(na)吸(xi)附(fu)的(de)活(huo)性(xing)點(dian)。在(zai)傳(chuan)統(tong)的(de)嵌(qian)入(ru)反(fan)應(ying)之(zhi)外(wai)，還(hai)多(duo)了(le)一(yi)些(xie)鈉(na)離(li)子(zi)吸(xi)附(fu)的(de)活(huo)性(xing)點(dian)位(wei)。另(ling)外(wai)，在(zai)硬(ying)碳(tan)方(fang)麵(mian)，我(wo)們(men)選(xuan)用(yong)了(le)椰(ye)殼(ke)
、杏殼等生物質材料，通過處理，最終獲得硬碳材料。通過拉曼分析可以發現
，這些材料是短層有序、長層無序的結構，微晶的層間距較大，適合鈉離子嵌入。通過循環實驗可以看到，經過200次ci循xun環huan，容rong量liang基ji本ben沒mei有you衰shuai降jiang，循xun環huan穩wen定ding性xing很hen好hao。由you此ci可ke見jian，這zhe些xie生sheng物wu質zhi材cai料liao是shi很hen好hao的de廉lian價jia的de鈉na離li子zi電dian池chi負fu極ji材cai料liao。再zai有you，對dui於yu石shi墨mo烯xi負fu極ji我wo們men也ye做zuo了le研yan究jiu。石shi墨mo烯xi材cai料liao最zui大da的de問wen題ti是shi密mi度du比bi較jiao低di，將jiang來lai能neng不bu能neng做zuo成cheng高gao體ti積ji比bi能neng量liang的de電dian池chi還hai是shi問wen題ti。所suo以yi可ke以yi考kao慮lv將jiang石shi墨mo烯xi和he其qi他ta負fu極ji材cai料liao如ru硬ying碳tan

、軟碳，以及化合物類或合金類材料進行複合。

 

 

我們做了1.5Ah和0.5Ah兩種軟包全電池
，正極材料采用前麵提到的鎳錳氧化物
，負極采用生物質的硬碳材料
，經300次循環後容量衰降為15%。由此可見，鈉離子電池用廉價材料是可以製備的
，而且電性能良好。

 

 

小結，鈉離子電池正極材料，我們對鎳錳氧化物進行了摻雜
，來提高它的電性能。負極材料裏邊我們研究了硬碳、軟碳和石墨烯三種材料。對軟碳進行磷的摻雜，可以提高容量；硬碳材料循環穩定性較好；石(shi)墨(mo)烯(xi)容(rong)量(liang)較(jiao)高(gao)，但(dan)首(shou)效(xiao)較(jiao)低(di)。最(zui)後(hou)，我(wo)們(men)期(qi)待(dai)基(ji)於(yu)廉(lian)價(jia)材(cai)料(liao)製(zhi)備(bei)的(de)鈉(na)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)上(shang)接(jie)近(jin)或(huo)超(chao)過(guo)磷(lin)酸(suan)鐵(tie)鋰(li)電(dian)池(chi)，在(zai)電(dian)動(dong)車(che)和(he)儲(chu)能(neng)方(fang)麵(mian)得(de)到(dao)應(ying)用(yong)。