01研究背景

動力電池是新能源汽車的能源儲存裝置，主要包括鋰離子電池、鈉離子電池、固態(tài)電池等多種類型。它們具有高能量密度、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點，成為了替代傳統(tǒng)燃油汽車動力的關(guān)鍵技術(shù)。鈉離子電池是一種新型的可充電電池技術(shù)，其研究背景主要源于對鋰離子電池的改進和發(fā)展需求。鋰離子電池作為目前廣泛應(yīng)用于移動電子設(shè)備和電動汽車等領(lǐng)域的主流電池技術(shù)，具有高能量密度和長壽命等優(yōu)點。然而，鋰資源有限且分布不均，導(dǎo)致鋰離子電池的成本相對較高。此外，全球?qū)︿囐Y源的需求也持續(xù)增長，可能面臨供應(yīng)瓶頸的風(fēng)險。因此，研究人員開始尋找替代鋰的電池材料，其中鈉是一個備受關(guān)注的候選者。鈉在地殼中的分布比鋰更為豐富，價格也相對較低，具有潛在的替代鋰的優(yōu)勢。相比于鋰離子電池，鈉離子電池的優(yōu)勢如圖1所示。

圖1鈉離子電池的優(yōu)勢

02鈉離子電池研究現(xiàn)狀

隨著鋰離子電池需求的增長，對鋰資源的依賴度越來越高。由于地殼中儲量較少，需要尋找替代鋰離子電池的其他電池技術(shù)。鈉離子電池是一種備受關(guān)注的選擇，因為地殼中鈉資源豐富且分布均勻，并且鈉與鋰具有相似的化學(xué)性質(zhì)，因此可以借鑒鋰離子電池的成功經(jīng)驗。

近年來，研究人員對鈉離子電池進行了大量研究，并開發(fā)了多種正負極材料和電解液體系。在正極方面，研究者們開發(fā)了類似于鋰離子電池正極材料的層狀或隧道結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物、普魯士藍類正極材料以及聚陰離子型正極材料等。在電解液方面，研究者使用相應(yīng)的鈉鹽替代鋰鹽，開發(fā)了以不同鈉鹽為溶質(zhì)，配合不同溶劑（如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯等）的多種電解液體系。同時，為了提高電池的安全性和電化學(xué)性能，研究者們還開發(fā)了固態(tài)電解質(zhì)和其他新型電解液體系。

圖2正極中循環(huán)性能不穩(wěn)定的內(nèi)部機理

a）不可逆的相變. b）形態(tài)變化. c）循環(huán)后晶格彎折. d）相間不穩(wěn)定. e)空氣敏感性

負極研究方面，硬碳材料由于既可以通過裂解生物質(zhì)碳源制備，也可以通過裂解高分子聚合物獲得, 具有來源廣泛、無毒環(huán)保、儲鈉電位低和比容量較高等優(yōu)勢而被廣泛研究。這些技術(shù)的開發(fā)旨在提高鈉離子電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能，以滿足儲能領(lǐng)域日益增長的需求。

圖3 鈉離子在硬碳中儲存機理示意圖:

a)“插層-吸附”機制. b) “吸附-插層”機制. c) 硬碳的微觀結(jié)構(gòu)隨熱解溫度的變化的演變及對應(yīng)的儲鈉機制和行為. d) 多孔碳孔結(jié)構(gòu)調(diào)整和閉孔儲鈉機制. e) 不同的鈉化階段的硬碳電極的非原位WAXS 曲線. f) 硬碳儲鈉的“吸附-插層-孔充填”機理.g)放電/充電到不同電壓的硬碳電極與質(zhì)子溶劑的化學(xué)反應(yīng). h) 完全鈉化的電極與乙醇反應(yīng)后產(chǎn)生的 H2的氣相色譜圖. i) 硬碳中鈉的穩(wěn)態(tài)示意圖

鈉離子電池的熱安全問題也需要更多的關(guān)注。造成電池?zé)崾Э氐脑虮姸啵鶕?jù)起始的觸發(fā)條件，可以分為，機械濫用觸發(fā)、電濫用觸發(fā)和熱濫用觸發(fā)，機械濫用指的是鋰離子電池在使用過程中受到外力的作用，例如碰撞、擠壓而失效；電濫用一般是由于電池管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起的；熱濫用則是由于溫度管理不當，電池受到非正常的內(nèi)部或者外部加熱引起的。盡管三者的觸發(fā)方式不同，但是最終都會導(dǎo)致電池隔膜破裂，進而引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

圖4 鈉離子電池研究現(xiàn)狀

03總結(jié)

通過對現(xiàn)有的相關(guān)研究進行總結(jié)歸納，發(fā)現(xiàn)對鈉離子電池的研究主要集中在電極電解液材料的優(yōu)化改性上，其中涉及的性能衰減機制也僅僅停留在電極層面，并沒有在循環(huán)中，定量地建立起鈉離子電池的性能衰減老化機制。對于不同材料體系的SIB，也沒有對不同老化路徑的性能衰減演化，尤其是熱失控特性演化規(guī)律的相關(guān)研究。然而，深入研究性能衰減機制和熱失控機理，有助于提高鈉離子電池的性能和安全性，推動其商業(yè)化應(yīng)用和推廣，對于推動能源存儲技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)化電池設(shè)計和提高安全性具有重要的作用。此外，研究鈉離子電池在電動汽車和儲能系統(tǒng)等應(yīng)用中的系統(tǒng)集成與設(shè)計也是未來的一項重要研究內(nèi)容。其中包括電池模型的建立、電池狀態(tài)估計和控制策略的開發(fā)，以優(yōu)化電池的性能和實現(xiàn)可靠的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅