【《钠离子电池的工作原理及材料综述》2900字】

钠离子电池的工作原理及材料综述目前，由于人类社会发展长期使用煤、石油等不可再生的化石燃料，化石能源日益枯竭，产生日趋严重的能源危机和环境污染，人们对未来清洁能源的需求越来越大ADDINNE.Ref.{A4D3F3D7-FADD-49B6-B515-34526E9A544C}[1]。然而，可再生能源(风能、太阳能、地热能等)存在分布不均、实际效率低、建设成本高等问题，导致这些可再生清洁能源无法进行大规模使用ADDINNE.Ref.{26125D53-7FA7-478F-A0A0-2A694C4B41B6}[2,3]。电化学储能因其效率高，方便携带等优点，被认为是储能应用中最伟大的发明之一ADDINNE.Ref.{22A976FC-924E-443A-B017-70A594981A82}[4]。在电化学储能体系中，锂离子电池被认为是储能领域的重要里程碑之一，这一优秀技术已经广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和智能电网等领域，进而导致电池的制造成本不断攀升以及锂资源的迅速匮乏ADDINNE.Ref.{732BE781-311B-4CA5-B458-73C8C09005D0}[5]。鉴于此，人们不得不考虑寻找一种其它材料体系的电池来补充现在和未来的储能市场的需求。为了解决锂离子电池商业化后出现的成本高昂、性能稳定性以及安全性等一系列问题，实现二次电池的大规模应用，科研人员一直在寻找一种能和锂离子电池相比拟的可应用于大规模能量储存的二次电池。其中，生活中较为常见的Na元素进入了研究人员的视野。由于Na元素在地球上储量丰富（约2.76%），并且Na与Li位于元素周期表中同一主族，二者具有及其相似的物理化学性质，因此钠离子电池被认为是锂离子电池理想的替代品ADDINNE.Ref.{1EF82F37-221E-4AEC-B9A4-B153C8263F2B}[6]。相比于锂离子电池，钠离子电池具有如下优势：①钠离子电池可以使用低浓度电解液(在同样浓度的电解液中，钠盐电导率高于锂盐电解液约20%)来进一步降低成本；②钠离子不与铝形成合金，因此负极可采用铝箔作为集流体，从而进一步降低成本和电池重量；③钠离子电池无过放电特性，可放电到零伏，因而钠离子电池具有更好的安全性ADDINNE.Ref.{D0A95EB5-DCD8-444B-8CA5-BB8ACD5BC812}[7]。总而言之，深入开展钠离子电池基本理论及实际应用研究，具有重要的学术价值和广阔的应用前景，这对于解决能源问题和环境问题具有重要的实际意义。PAGE34钠离子电池的组成部分和工艺参数以本设计使用的纽扣电池为例，钠离子电池主要由以下部分组成：正极、负极、隔膜、有机电解质溶液和集流体。（1）（2）负极：负极材料主要有碳基材料、过渡金属化合物、合金等，（3）隔膜：隔膜位于电池的正极和负极之间，具有电子绝缘性，实现正负极间的机械隔离；隔膜具有一定的孔隙率、力学性能和化学稳定性。隔膜的性能直接影响电池的容量、稳定性与安全性，对提高电池整体的综合性能起到重要作用。（4）（5）其他电池结构：形成密闭的可正常充放电的电池体系。衡量电池性能的参数主要有：（1）工作电压：又称端电压，是指电池在正常工作状态下，电流通过时在电池正负极之间产生的电势差ADDINNE.Ref.{C4812F37-E663-463C-9955-0676CE79EC9B}[8]。（2）比能量：单位质量或者单位体积的电池器件可提供的能量，通常用Wh/kg或者Wh/L表示ADDINNE.Ref.{7596C39A-BDC9-417E-8C8E-729340D6B873}[9]。（3）比容量[10]。（4）循环寿命：在一定充放电条件下，电池容量衰减到某一特定数值时所经历的充放电循环次数ADDINNE.Ref.{D1D7116D-C370-4339-8A08-0BEE34D91AA2}[11]。（5）充放电倍率：在一定充放电条件下，电池在一段时间内达到其额定容量时所需要的电流大小ADDINNE.Ref.{F3E63836-BF8E-4E29-9479-3E27A93B09DB}[12]。（6）库伦效率：又称充放电效率，指在一定充放电条件下，电池在一次完整的充放电循环中，放电容量与充电容量的比值，库伦效率越高，电池的可逆性越好ADDINNE.Ref.{E85BD759-E596-4E8A-BDD8-F1B453BF7F0A}[13]。（7）电池内阻：电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻。欧姆电阻是指由组成电池的各个部件（电极材料、电解液等）的接触电阻组成，与电池的构造、所选材料以及组装过程有关；极化电阻是指电池的正极和负极在发生电化学反应时极化从而形成的电阻，其中又可以继续分为化学极化电阻和浓差极化电阻ADDINNE.Ref.{290E01C3-D470-4969-8A0D-FC5680B33227}[14]。（8）自放电率：又称荷电保持能力，是指电池在未经历充放电循环处于开路状态时，其储存的电量的保持能力ADDINNE.Ref.{D45C25C2-CE73-44C9-96CD-EDEF15F858BE}[15]。钠离子电池的工作原理图1.1钠离子电池工作原理(以碳基材料为例)钠离子电池与锂离子电池类似，属于“摇椅式电池”，其工作原理如图1.1所示。钠离子电池工作时，钠离子通过电解液在正负极间不断嵌入与脱嵌，从而实现充放电循环。充电时，Na+从正极活性材料脱出后，通过电解液运输嵌入负极，此时正极材料处于贫钠状态，负极处于富钠状态，为了保证电荷平衡，电子经过外电路从正极迁移到负极并形成电流，放电时同理ADDINNE.Ref.{92397034-35FB-4890-8DFE-E62DF871D76F}[16]。理想情况下，Na+在正负极间的不断嵌入和脱嵌并不会破坏电极活性材料的结构稳定性和机械完整性，是一种理想的可逆反应。钠离子电池的负极材料钠离子负极材料主要作用是提供储存离子的位点以及较低的还原电位，是电池容量的重要影响因素之一。目前研究较多的钠离子电池负极材料主要分为以下几类：碳基负极材料石墨类天然石墨具有结晶度高、层状结构良好、导电性好以及成本低廉等优势，已经成为二次电池负极材料的研究热点。然而，由于钠离子半径（0.106nm）远大于锂离子半径（0.076nm），加之石墨层间距较小（0.335nm）的问题，限制了钠离子在充放电过程中的有效迁移，导致天然石墨无法顺利实现钠离子的可逆脱嵌和嵌入ADDINNE.Ref.{12962C2C-DBF3-4858-A691-770D95D62F51}[17,18]。非石墨类非石墨类材料主要包括软碳（焦炭、碳纤维等）和硬碳（碳黑、树脂碳等），二者均属于无定形碳。与性能达不到实际应用要求的传统石墨材料相比，非石墨类材料因其层间距更大以及微晶结构更无序的特点，因而有较多的储钠位点和较好的储钠性能，已经得到研究人员的广泛关注。然而，非石墨类的无序结构会导致电导率较低，进而影响材料的电化学稳定性，阻止了其电化学性能的进一步提高ADDINNE.Ref.{D4EB613E-4CB4-4C24-A248-E1705F2E45AD}[17,19-21]。图1.2钠在硬碳材料中填充的“楼阁”模型钛基化合物负极材料钛基化合物主要包括TiO2、Na2Ti3O7等，由于Ti3+和Ti4+具有还原电位低的优势，可实现钠离子在钛基化合物层间中顺利进行可逆脱嵌和嵌入，因此钛基化合物具有倍率性能良好、循环性能稳定以及结构稳定性出色等特点。但是由于钛基化合物晶体结构中储钠位点有限的缺点，导致其实际比容量往往较低，限制了其进一步的发展ADDINNE.Ref.{F4CA4F50-5C74-4D34-9486-43A0BB951746}[22-25]。金属化合物负极材料金属化合物负极材料主要包括金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物等。金属化合物具有可逆容量大、合成工艺简单、绿色环保等的优势，但是由于其在充放电过程中带来的剧烈的体积膨胀，使其结构稳定性在反复的充放电过程中遭到较大的破坏，导致循环过程中容量损失较大，循环稳定性较差ADDINNE.Ref.{03D92696-6D32-4EEC-A326-36900B923349}[26,27]。有机化合物负极材料相比无机材料，有机化合物具有来源广泛、可生物降解、结构柔性优异、氧化还原电位可调节等优点，在倡导可持续发展、绿色发展的时代大背景下更具有优异的发展前景。其中，含有羧基官能团的有机化合物因其优异的柔软性，使得化合物结构在钠离子在嵌入和脱嵌时受钠离子半径尺寸变化影响较小，展现出较好的电化学性能。但是由于有机化合物材料合成工艺较为复杂，合成重复率低以及导电性较差的问题，制约了其大规模的应用ADDINNE.Ref.{C70C4D52-4BB6-4ED1-A792-88358F4364FF}[28,29]。合金类负极材料钠合金负极材料在充放电过程中会与钠发生合金化反应从而引起巨大的体积变化，造成