鉅大LARGE | 點擊量：689次 | 2022年01月17日
充電鋰電池全生命周期安全性演變研究進(jìn)展
能源和環(huán)境問題是21世紀(jì)人類面對的重大問題，其中能量的存儲和轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。目前，應(yīng)用較為廣泛的是鋰離子電池。但是，鋰在地殼中較低的豐度、較高的價格在一定程度上會限制其發(fā)展前景。此時，由于鈉具有資源豐富、分布均勻以及價格低廉等優(yōu)勢，使得鈉離子電池重新回到科研工作者的視野。
鈉離子電池是一種"搖椅式"電池，即通過Na+在正負(fù)極材料之間的嵌入和脫出實現(xiàn)可逆充放電。但是Na+的尺寸大于Li+，并且具有動力學(xué)惰性，因此尋找適合Na+嵌入/脫出的電極材料，尤其是負(fù)極材料至關(guān)重要。如商業(yè)化鋰離子電池的負(fù)極材料石墨，其層間距為0.34nm，無法承受鈉離子的脫嵌。鈉離子電池負(fù)極材料種類繁多，其中基于多電子轉(zhuǎn)化機(jī)制反應(yīng)的金屬化合物類材料因其較高的理論比容量而備受關(guān)注，成為研究熱點和重點。本文梳理總結(jié)了金屬化合物轉(zhuǎn)化類材料包括金屬氧化物、金屬硫化物和金屬磷化物的研究進(jìn)展以及未來的發(fā)展前景。
鈉離子電池的電化學(xué)性能重要取決于正負(fù)極材料。但是，鈉離子較大的半徑使其在電極材料中可逆地嵌入/脫出更為困難。而金屬化合物材料作為儲鈉負(fù)極材料時，遵循轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制，表現(xiàn)出較高的理論比容量。
1.金屬氧化物
金屬氧化物（MOx）以其低廉的價格，較高的理論比容量而得到廣泛研究。其儲鈉機(jī)理可分為兩類：①當(dāng)M為電化學(xué)非活性元素（如Fe、Co、Ni、Cu等）時，和鈉發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成M和Na2O，如式(1)所示；②當(dāng)M為電化學(xué)活性元素（如Sn、Sb等）時，先發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成金屬單質(zhì)M和Na2O，而后金屬M(fèi)再和Na進(jìn)行合金化反應(yīng)生成NanM。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
金屬氧化物材料由于自身導(dǎo)電性差以及循環(huán)過程中較大的體積膨脹，會破壞電極結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致循環(huán)性能和倍率性能較差。一般通過設(shè)計制備具有新型微納結(jié)構(gòu)的金屬氧化物，或和導(dǎo)電材料（如碳納米管、石墨烯等材料）進(jìn)行復(fù)合，抑制體積膨脹，促進(jìn)離子和電子的傳輸，從而改善其電化學(xué)性能。
2.金屬硫化物
作為鈉離子電池負(fù)極材料，金屬硫化物（MSx）同樣引起了科研工作者巨大的關(guān)注。此種材料重要包括層狀的二硫化物（SnS2、MoS2、WS2等）和非層狀的硫化物（FeS、NiSx等）。其中，層狀二硫化物通常先在高電位發(fā)生Na+脫嵌反應(yīng)，然后在低電位發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成金屬單質(zhì)M和Na2S。其中有些材料如SnS2在更低電位時還發(fā)生合金化反應(yīng)。同樣的，和金屬氧化物材料類似，金屬硫化物在發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)時會有較大的體積變化，影響材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
3.金屬磷化物
金屬磷化物Mpx和堿金屬（如Li和Na）可發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成M和Li3p或Na3p。金屬單質(zhì)M在Li3p/Na3p相中均勻分散，能夠加快Li3p/Na3p氧化反應(yīng)的動力學(xué)過程，從而使得Mpx作為電極材料時表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
作為一種新型儲能體系,鈉離子電池受到了廣泛關(guān)注。其中負(fù)極材料的研究在很大程度上決定著整個體系的性能。金屬化合物負(fù)極材料具有較高的理論比容量，是一類理想的鈉離子電池負(fù)極材料。當(dāng)然金屬化合物負(fù)極材料的研發(fā)要克服其本身較低的電子電導(dǎo)率以及轉(zhuǎn)化反應(yīng)（合金化反應(yīng)）過程中較大的體積變化等難題。構(gòu)筑更為有效的金屬化合物和導(dǎo)電碳材料的復(fù)合電極，以及針對性地設(shè)計制備微納結(jié)構(gòu)的電極材料，是解決上述問題，進(jìn)而提高金屬化合物負(fù)極儲鈉容量，改善循環(huán)壽命的可行策略。
