首先，我們來說一下為什么要開發(fā)鈉離子電池,。我國的電池主要應(yīng)用在三大產(chǎn)業(yè),，即電動(dòng)汽車、儲能和消費(fèi)電子,。圍繞這三個(gè)方向,，尤其近幾年電動(dòng)汽車和儲能領(lǐng)域發(fā)展迅速，主打是鋰離子電池,。動(dòng)力電池在2015年增長了80%左右,，而在2016年已經(jīng)突破了30GWh，隨之而來的就是鋰電池的廢棄和循環(huán)問題凸顯,，而且鋰的資源也有限,。與此同時(shí)，儲能也是目前發(fā)展很快的產(chǎn)業(yè),，尤其微電網(wǎng)方面會(huì)有大量的儲能需求,，到2020年，預(yù)計(jì)儲能可以比2015年增長3倍,。這么大量的電池需求,，如果全用鋰離子電池的話，存在兩個(gè)問題：一個(gè)是鋰的資源問題,，一個(gè)是鋰的循環(huán)利用問題,。所以在鋰電池之后，我們還有新的選擇,。這就涉及到用什么樣的電池體系,，用什么樣的材料?；谶@種考慮,，我們能不能找出儲量更豐富，材料更便宜的體系呢,，最后我們選擇了鈉離子電池,。
對于鈉離子電池我們關(guān)注的焦點(diǎn)，一個(gè)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(dòng)車和儲能方面都要求電池壽命要長,；第三是安全性要好；最后是能量密度要比較合適,。
鈉離子電池和鋰離子電池的反應(yīng)機(jī)理相近,，正極材料除了磷酸鹽或氟化磷酸鹽以外,，還可以用鎳錳層狀過渡金屬氧化物。在負(fù)極材料方面可選擇碳類,、合金和化合物,。在三大類負(fù)極材料中，我們還是選擇最便宜的碳材料,。我們對于負(fù)極碳材料又進(jìn)行了軟碳,、硬碳和石墨烯三個(gè)分類的研究。
我們最近的一些研究成果,，其中一個(gè)是采用層狀結(jié)構(gòu)Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作正極材料,。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究和比較，在制備正極原材料的使用上,，我們認(rèn)為使用醋酸鹽或草酸鹽更好,。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，正極材料如果只用鎳錳氧化物,，它的循環(huán)性能和充電到高電位時(shí)的穩(wěn)定性較差,。所以有文獻(xiàn)報(bào)道可以用鎂摻雜，替代鎳位,，這樣的話期待它的容量可以更高,，這種方法對于獲得高能量密度的鈉離子電池是很有幫助的。除了鎂以外,，其他摻雜的元素可不可以呢,？我們選擇與替代元素離子半徑相近的元素做摻雜，比如替代鎳位,，我們選了鋯（Zr）離子和銅（Cu）離子進(jìn)行摻雜,。材料摻雜后與摻雜前電化學(xué)性能和循環(huán)性能都有提高，Zr摻雜和Cu摻雜相比,，Cu摻雜的循環(huán)穩(wěn)定性更好,。
負(fù)極方面，由于軟碳材料處理的方法比較多,，我們嘗試了用磷摻雜軟碳,。摻雜磷后放電容量可以提高30%以上，循環(huán)特性好,。為什么摻磷后材料性能提高呢,？這是由于摻磷后可以增加鈉吸附的活性點(diǎn)。在傳統(tǒng)的嵌入反應(yīng)之外,，還多了一些鈉離子吸附的活性點(diǎn)位。另外,，在硬碳方面,，我們選用了椰殼,、杏殼等生物質(zhì)材料，通過處理,，最終獲得硬碳材料,。通過拉曼分析可以發(fā)現(xiàn)，這些材料是短層有序,、長層無序的結(jié)構(gòu),，微晶的層間距較大，適合鈉離子嵌入,。通過循環(huán)實(shí)驗(yàn)可以看到,，經(jīng)過200次循環(huán)，容量基本沒有衰降,，循環(huán)穩(wěn)定性很好,。由此可見，這些生物質(zhì)材料是很好的廉價(jià)的鈉離子電池負(fù)極材料,。再有,，對于石墨烯負(fù)極我們也做了研究。石墨烯材料最大的問題是密度比較低,，將來能不能做成高體積比能量的電池還是問題,。所以可以考慮將石墨烯和其他負(fù)極材料如硬碳、軟碳,，以及化合物類或合金類材料進(jìn)行復(fù)合,。
我們做了1.5Ah和0.5Ah兩種軟包全電池，正極材料采用前面提到的鎳錳氧化物,，負(fù)極采用生物質(zhì)的硬碳材料,，經(jīng)300次循環(huán)后容量衰降為15%。由此可見,，鈉離子電池用廉價(jià)材料是可以制備的,，而且電性能良好。
小結(jié),，鈉離子電池正極材料,，我們對鎳錳氧化物進(jìn)行了摻雜，來提高它的電性能,。負(fù)極材料里邊我們研究了硬碳,、軟碳和石墨烯三種材料。對軟碳進(jìn)行磷的摻雜,，可以提高容量,；硬碳材料循環(huán)穩(wěn)定性較好；石墨烯容量較高,，但首效較低,。最后,，我們期待基于廉價(jià)材料制備的鈉離子電池在能量密度上接近或超過磷酸鐵鋰電池，在電動(dòng)車和儲能方面得到應(yīng)用,。