來自斯科爾科沃科學和技術學院(Skoltech)和莫斯科國立大學(MSU)的科學家們確定了與鈉離子電池(SIB)陽極材料中的電荷存儲相關的電化學反應類型,這是一類很有前途的新型電化學電源。他們的研究結果以及該團隊開發(fā)的陽極制造方法將有助于使SIB在俄羅斯及其他地區(qū)的商業(yè)化進程更加接近。該研究發(fā)表在《Electrochimica Acta》上。
如今,鋰離子電池(LIB)是最受歡迎的電化學電源,被廣泛應用于從手機(幾瓦時)到發(fā)電廠的緩沖系統(tǒng)(數(shù)百萬瓦時)的各種領域。對鋰離子電池的需求和存儲設備的平均尺寸都在不斷增長,然而這種增長趨勢卻遇到了多重障礙,如鋰鹽的高成本、全球鋰儲量有限以及各國含鋰礦床分布不均等。為了克服這些障礙,包括俄羅斯在內(nèi)的全球科學家都在研究SIB,這種替代技術可能會挑戰(zhàn)LIB和廣泛使用的鉛酸電池。
鈉是地殼中第六大常見元素。與鋰相比,其鹽類的價格要便宜100倍左右。雖然在化學性質(zhì)上與鋰相似,但鈉還有其他的區(qū)別,這就需要在SIB設計中采用新的方法。電池由三個主要部分組成:陰極、陽極和電解質(zhì)。陰極或電解質(zhì)的成分和結構有廣泛的多樣性,而陽極仍然是一個絆腳石。成功用于LIB的石墨不能用于SIB,因為碳六邊形和鈉陽離子的尺寸相差太大,無法提供夾層。硬碳似乎是唯一可以真正用于陽極的材料。由扭曲的石墨狀層的不規(guī)則排列形成的硬碳表現(xiàn)出與LIB中的石墨相當?shù)拟c離子存儲性能,然而仍然不清楚為什么以及如何發(fā)生這種情況。
"關于鈉如何被引入硬碳中,有幾種假說。在我們的研究中,我們驗證并稍微擴展了其中的一個假設。我們發(fā)現(xiàn),硬碳表現(xiàn)出夾層型行為,以積累大部分電荷,這是個好消息。夾層正是電池所需要的,而與 "假電容 "相關的表面過程則是超級電容器的責任,它在化學電源中形成了一個非常狹窄的發(fā)展空間。有趣的是,我們的日本同事,也是我們的主要研究者和MSU博士生的研究導師Zoya Bobyleva一開始就持有完全不同的觀點。他是世界上SIB和硬碳領域的頂級專家之一,我們很難說服他我們是對的,但我們做到了!"Skoltech能源科技中心(CEST)和MSU的項目負責人和高級研究科學家Oleg Drozhzhin說。
去年,諾貝爾化學獎授予了三位 "開發(fā)鋰離子電池 "的科學家。其中一位獲獎者要歸功于硬碳,這種負極材料在大約三十年前給鋰離子電池技術帶來了生命,后來被石墨取代?,F(xiàn)在,硬碳可以再次催生一項新技術。
"這項工作非常了不起,不僅展示了硬碳在鈉離子體系中的工作原理,而且找到了一種方法,可以生產(chǎn)出與LIB中石墨容量相當?shù)某^300mAh/g的硬碳。創(chuàng)建和優(yōu)化一種新的方法需要付出很多艱辛的努力,而這些努力通常都停留在幕后,幾乎沒有在科學論文中報道過,所以對我們來說,展示最終的成果很重要:我們成功地制造出了好的SIB陽極材料,我們知道它們是如何工作的。"MSU化學學院電化學系主任、Skoltech教授Evgeny Antipov評論道。