对称性钠离子电池:新型高效低成本能量存储器件

adma201470139-gra-0001-m二次锂离子电池虽已在消费电子市场占据主导地位,但锂元素的储量在地壳中仅占0.002%左右,是一种稀有金属,且分布不均,价格波动较大。锂离子电池所面临的资源和价格瓶颈将限制其在未来电动汽车等大规模储能领域的应用。相比较而言,钠在地壳中有丰富的储量,约占2.74 %,为第四丰富元素,且分布广泛,其价格仅为锂的二十分之一。而且钠具有和锂相似的物理化学性质和储存机制,钠离子电池已被公认为是替代锂离子电池的首选之一,近年来受到广泛的关注。然而,钠离子电池的能量效率低、倍率性能和循环寿命等方面仍需要进一步改善。

为此,武汉理工大学—哈佛大学纳米联合重点实验室重点麦立强教授课题组开展了钠离子电池电极材料和器件的优化设计工作,其最新研究论文Effect of Carbon Matrix Dimensions on the Electrochemical Properties of Na3V2(PO4)3Nanograins for High-Performance Symmetric Sodium-Ion Batteries在国际著名期刊《先进材料》(Advanced Materials, 2014, 26, 3545–3553)发表,并被选为Inside Front Cover亮点报道。他们提出一种新型磷酸钒钠/碳(Na3V2(PO4)3/C)复合材料作为钠离子电池电极,并发现通过合理调控碳基底的形貌,可改变其电化学性能,当碳基底的形貌为连续链状小球时,电化学性能最为优异。作为钠离子电池正极时,充放电平台在3.4 V左右,且可逆容量达到117.5 mAh/g,接近其理论容量 (117.6 mAh/g)。另外,在5 C的较高倍率下经过200次循环充放电,其容量仍达到97 mAh/g,容量保持率高达96.4%。并且,本研究利用Na3V2(PO4)3/C复合材料在3.4 V和1.7 V均有稳定的电压平台这一特有性质,成功组装了正负极均为Na3V2(PO4)3/C的对称性钠离子电池,可承受10 C的高倍率充放电,并且在5 C的倍率下充放电循环200次仍有很好的容量保持率。

这种对称性钠离子电池具有较高的稳定性和充放电效率,为今后能源材料和器件的设计和研究提供了参考。同时,正负极均为同种材料这种独特的设计,可实现生产线的集成,从而显著降低生产成本,为今后钠离子电池的产业化发展奠定基础。