化学电源的新宠――钠离子电池

化学电源的新宠钠离子电池的研究进展,汇报人：姜强,湖北大学化学化工学院锂离子电池实验室2013.12.13,指导老师：冯传启教授,个人简介,自我介绍,姓名：姜强专业：无机化学课题方向：钠离子电池正极材料兴趣爱好：看书、听音乐、打球、爬山、旅游座右铭：当你知道自己想要什么的时候，全世界都会为你让路！,目录,1引言,2钠离子电池研究进展,3我的工作,本文目录结构,4总结,引言,1引言,电化学储能技术的发展背景,能源是支撑整个人类文明进步的物质基础，也是现代社会发展须臾不可或缺的基本条件。随着社会经济的高速发展，人类社会对能源的依存度不断提高。据统计，目前世界每年能源消费总量的70%来源于不可再生的化石燃料(煤、石油、天气）。,中国与世界能源消耗结构,环境污染,资源枯竭,战争,温室效应,疾病,1引言,电化学储能技术的发展背景,因此改变现有不合理的能源结构，大力发展可再生清洁能源，并逐步替代化石能源，已成为人类社会可持续发展面临的首要问题。风能、太阳能、潮汐能、地热能等均属于可再生清洁能源，将成为未来的主要能源来源。然而，可再生能源一般具有总量大、能量密度低、随机性、间歇性等特点，导致其难以使用。在这种形势下，发展高效便捷的储能技术以满足人类的能源需求成为世界范围内研究热点。,物理类储能,1引言,电化学储能,电化学储能技术的发展背景,目前主流的储能技术,效率高,1引言,投资少,电化学储能技术的发展背景,使用安全,应用灵活,电化学储能,1引言,几类电化学储电技术比较,1799年,2013/12/13,Volta发明“伏打电池”,目前常用的电化学储能体系,200years,液流电池,超级电容器,二次电池,铅酸电池,镍-镉电池,锂离子电池,钠离子电池,1引言,几类电化学储电技术比较,主要电化学储能技术的对比,钠离子电池研究进展,2.钠离子电池研究进展,钠离子电池实际上是一种浓差电池，正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。充电时，Na+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富钠态，正极处于贫钠态，同时电子的补偿电荷经外电路供给到极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于处于富钠态。,钠离子电池简介,钠离子电池工作原理示意图,2.钠离子电池研究进展,钠离子电池体系的关键技术,钠离子电池主要由正极、负极和电解液组成。其中，正、负极材料是电池的核心部件，其性能直接决定了电池的电化学性能，因而，开发性能优异、价格低廉的钠离子电池正负极材料将成为今后的研究重点。,几种重要的钠离子电池正、负极材料的容量和电压值,2.钠离子电池研究进展,钠离子电池体系的关键技术,作为钠离子电池关键部件之一的正极材料应该满足下列要求：较高的氧化还原电位，且电位受材料嵌钠量的影响较小；具有较高的比容量；有足够的离子扩散通道，确保钠离子快速嵌入和脱出；有较高的电化学反应活性；良好的结构稳定性和电化学稳定性；应具有制备工艺简单、资源丰富以及环境友好等特点。,层状过渡金属氧化物NaxMO2(M=Co、Mn、Ni,0x1)，,过渡金属氟化物MFx,聚阴离子型化合物(NaMPO4，NaMPO4F),2.钠离子电池研究进展,钠离子电池体系的关键技术,在寻找可行的钠离子电池负极材料时，必须考虑以下要求：钠嵌入的过程中电极电位变化较小，并接近金属钠的电位，从而保证电池的输出电压高；钠在主体材料中的可逆嵌入量和充放电效率要尽可能高，以保证电池具有较高的能量密度；在钠的脱嵌过程中，主体结构的体积变化应尽可能小，以获得较好的循环稳定性；电极材料具有较高的电子电导率和钠离子迁移速率，确保电池可以进行大电流充放电；与电解液的相容性好，同时具有较高的化学稳定性和热稳定性；价格低廉，原料丰富，对环境无污染，容易制备。,2.钠离子电池研究进展,钠离子电池体系的关键技术,Na0.44MnO2垂直于ab平面Na离子通道,磷酸盐材料的晶体结构,Na2FePO4F的晶体结构,中科院物理所的钠离子电池,理论能量密度为180Wh/kg（基于正负极活材料的质量计算）,2.钠离子电池研究进展,美国AquionEnergy公司,负极：低成本活性炭，具有电化学电容效应；正极：Na0.44MnO2，倍率性能良好；电解液：Na2SO4中性水溶液；隔膜：无纺布；极板厚度为几毫米；聚丙烯外包装，方形叠堆结构；30Wh，可用电压为0.5-1.8V,$300/kWh，锂电成本1/3；5000次保持率85%,2.钠离子电池研究进展,东京理科大学试制的钠离子电池,2.钠离子电池研究进展,2.钠离子电池研究进展,钠离子电池的优势与未来,原料资源丰富，成本低廉，分布广泛,能利用分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐，电解质的选择范围更宽,有相对稳定的电化学性能，使用更加安全,优势,2.钠离子电池研究进展,钠离子电池的优势与未来,电池开发路线图,我的工作,3.我的工作,工作流程图,想法(Idea),实验,实验部分,材料的制备,电化学性能测试,结构和形貌的表征,钠离子正极材料Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2的制备及条件探究,实验部分,材料的制备,Mn2+，Ni2+，Co2+，SO42-solution,NH4HCO3solution,Co-precipitation,Mn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3,Na2CO3,Mixing,Heating,Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2,实验部分,结构和形貌的表征,球形三元材料前驱体Mn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3XRD图,实验部分,结构和形貌的表征,前驱体煅烧物SEM图,实验部分,结构和形貌的表征,Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2XRD图,实验部分,电化学性能测试,将材料组装成CR2025型扣式电池电池进行充放电循环测试。按0.65:0.25的比例称取正极材料和乙炔黑，混合均匀后，用异丙醇作溶剂，滴加1d粘合剂，研磨后压膜，在真空手套箱中组装成模拟电池。在室温下用LAND电池测试系统对电池进行恒电流循环充放电测试，电压范围为2-4.8V，电流密度1C=300mAg-1。,总结,总结,钠离子电池是一种很有发