硬碳球形貌 硬碳微管形貌

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所在鈉離子電池碳基負(fù)極材料研究上取得了突破。科學(xué)家采用成本低廉的無煙煤作為前驅(qū)體，通過簡(jiǎn)單的粉碎和一步碳化得到了一種具有優(yōu)異儲(chǔ)鈉性能的碳負(fù)極材料。

與鋰相比，鈉儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、成本低廉，并且與鋰具有相似的理化性質(zhì)，因而鈉離子電池的研究再一次受到科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。而與鋰離子電池相比，鈉離子電池的能量密度通常較低，雖不太適合應(yīng)用在對(duì)能量密度有較高需求的便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車領(lǐng)域，但適合應(yīng)用于對(duì)能量密度要求不太高、對(duì)成本敏感的低速電動(dòng)車和通訊基站、家庭儲(chǔ)能、電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域。高性能電極材料的開發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要，特別是高性能、低成本的負(fù)極材料仍是制約鈉離子電池實(shí)用化的瓶頸。

在眾多報(bào)道的鈉離子電池負(fù)極材料中，高度有序的石墨類軟碳負(fù)極材料儲(chǔ)鈉容量較低(通常低于100 mAh/g)，而高度無序的硬碳材料由于具有高的比容量和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)良的綜合性能而被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的一種負(fù)極材料。中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士生李云明、研究員胡勇勝等利用水熱方法得到了一種硬碳微球，接著又利用棉花作為前驅(qū)體通過一步碳化法得到了一種硬碳微管。接著他們提出在軟碳前驅(qū)體瀝青中加入第二相例如硬碳前驅(qū)體，利用二者之間的相互作用得到了一種無序度較高的非晶碳材料，并且這種復(fù)合前驅(qū)體具有較高的產(chǎn)碳率(60%左右)。作為鈉離子電池的負(fù)極材料，其展現(xiàn)了高達(dá)250mAh/g的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

他們近期通過裂解無煙煤得到的是一種軟碳材料，但不同于來自于瀝青的軟碳材料。其在1600℃以下仍具有較高的無序度，產(chǎn)碳率高達(dá)90%，儲(chǔ)鈉容量達(dá)到220mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。最重要的是在所有的碳基負(fù)極材料中具有最高的性價(jià)比。其應(yīng)用前景也在軟包電池中得以驗(yàn)證，以其作為負(fù)極和Cu基層狀氧化物作為正極制作的軟包電池的能量密度達(dá)到100Wh/kg，在1C充放電倍率下容量保持率為80%，循環(huán)穩(wěn)定，并通過了一系列適于鋰離子電池的安全試驗(yàn)。低成本鈉離子電池的開發(fā)成功將有望率先應(yīng)用于低速電動(dòng)車，實(shí)現(xiàn)低速電動(dòng)車的無鉛化，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，將推廣到通訊基站、家庭儲(chǔ)能、電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域。