重磅新品||钠离子电池负极专用材料上！新！

先丰纳米 2023-08-03 | 阅读：643

钠离子电池（SIBs）是一种新型的高能量密度电池。早在20世纪末80年代初，与锂离子电池同期，SIBs的研究就已经开始。但是由于锂离子电池发展迅速，更多的研究重点都集中在锂离子电池上，钠离子电池并没有得到很好的发展。如今由于锂资源缺乏，又使钠离子电池的研究重新获得关注。钠离子电池具有高能量密度、低成本、资源丰富等优点被认为是锂离子电池的理想替代品，目前国内外的科研机构和企业纷纷加入钠离子电池的研究和开发中。

SIBs也是由正极材料、负极材料、电解质和隔膜等关键部件构成，其中负极材料是人们研究的焦点，近年来相关报道逐年增加。负极材料对钠离子电池性能和循环寿命具有重要影响。据悉，不同的负极材料对应着不同的储钠方式，不同的储钠方式又影响钠电池的储能密度、功率密度、循环稳定性等。因此，负极材料是决定钠电产业化进程快慢的关键因素之一。

SIBs负极材料主要分为五种类型：碳基材料、钛基材料、合金材料、有机化合物类、其他体系，其中碳基材料的技术成熟度最高，资源丰富，有望率先实现产业化。根据碳原子的微观结构，碳基负极材料分为石墨类材料、无定形碳材料、纳米碳材料。

一、石墨类

石墨具有高结晶度、规则的层片状结构和优良的导电性能，适合锂离子在层间进行脱嵌。同时原材料丰富易得，价格也比较低廉，因此成为众多研究者关注和开发的热点。与碱金属离子不同，钠离子在碳酸酯类溶剂中难以对石墨层间进行有效嵌脱，这主要是石墨层间距小（0.335nm），不适于体积较大的Na+进行脱嵌，因此，在锂离子电池中广泛应用的石墨负极，在碳酸酯作溶剂的钠离子电池中难以使用。

近年来，研究人员通过一些改性手段扩大石墨层间距，使其具备一定的容量取得了相关进展。石墨经改性后能够具备一定的储钠容量，并且具有很好的循环稳定性和倍率性能，为石墨材料在SIBs中的应用带来了希望。然而这些改性方法带来的一个共性问题就是比表面积大，造成首次不可逆容量很大，这是改性石墨材料需要解决的关键问题。

二、无定型碳材料

无定形碳材料具有大的层间距和无序度，有利于Na+离子的脱嵌，是人们研究最多的一类负极材料。按照热处理石墨化难易程度，分为软碳和硬碳。软碳在2800°C以上能完全石墨化，硬碳在高温下也难以石墨化。软、硬碳差别在于微观结构中碳层的交联相互作用，根本取决于所用碳化前驱体的结构和形状。相对而言，软碳的制造成本较低，工艺易于控制，但比容量不及硬碳。硬碳的比容量较高，但首周效率往往较低，且其性能依赖于所用前驱体和处理工艺，产碳率较低。

近十几年来科研工作者研究了很多具有大的层间距和无序结构并且有利于Na+脱嵌的无定型碳负极材料，这些研究证明了无定型碳材料的可逆容量、循环性能以及倍率性能都取得了较大的突破。

三、纳米碳材料

纳米碳材料主要有石墨烯、碳纳米管，这些电极储钠离子通常设计了两种机理，一为离子插层，二为缺陷（包括杂原子、边缘、空隙）的化学或物理吸附。相比较于离子插层，缺陷吸附通常有利于维持电极的结构完整以及快速的吸附、脱离，由于其较少地涉及相变或结构变化。

当前石墨烯复合材料作为SIBs的负极材料其纳米结构包含有片层裹覆式（活性材料被裹覆在石墨烯片层间）、三维密封式（活性材料被包裹以球形常见）、三明治或片层堆叠式。石墨烯作为支撑材料在复合电极中归纳为以下4大优势：

1、大面积的二维石墨烯纳米片可以作为电化学活性材料生长和有效分散的基底；

2、三维连续石墨烯框架进一步避免了活性分子的团聚；

3、高导电性石墨烯支架构建了电子传输的快速通道，分级多孔纳米结构有利于快速的离子扩散；

4、石墨烯层由于其强的机械性能，以及三维石墨烯框架中的介孔或纳米空隙，可以充当缓冲以减轻电化学反应前后的活性物质体积变化。

简而言之，石墨烯复合电极材料有利于实现高容量、快充、长循环电池系统。

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