首页 >> 行业动态 >> 法国开发出18650规格的钠离子电池:储量丰富价格低

发布时间:【2015-12-14】 共阅:【】次

法国开发出18650规格的钠离子电池:储量丰富价格低

    法国一支研究团队已经在可充电电池材料上取得了一项重大进步, 其储量比当前普遍采用的锂材料更加丰富、并且价格也更便宜。据外媒报道,“18650”锂电池被普遍用于笔记本、LED手电、以及特斯拉Model S汽车等设备上,但法国国家科学研究中心的研究人员们首次开发出了业界标准的18650规格的钠离子电池。


1


    新款18650钠离子电池,借助了钠离子转移(而不是锂离子)来存储和释放电能。


    固态化学家Jean-Marie Tarascon解释到:“今日披露的钠离子电池,受到了锂离子技术的直接启发”。


    换言之,与锂离子电池中的锂离子一样,在充放电的过程中,钠离子也会通过液体,从一个电极转移到另一个电极。在电池的使用周期中,我们同样无需对材料加以修改。


2

                                 研究人员正在接入测试一块钠离子电池。


    研究人员目前将这种特定的材料定位商业机密,但原型电池的性能已经让人大开眼界。LITEN合作研究员Lo?c Simonin指出:“其能量密度可与磷酸铁锂等锂离子电池相匹敌”。


    当前,锂离子电池在重量上比钠离子材料要轻,但钙元素的稀有性也是它最大的缺点。相比之下,钠元素非常丰富,其在地壳上的含量超过2.6%。

3

                                 组装一块电池以测试钠离子电池材料(由于金属钠性质活泼,操作者做好了包括手套在内的‘全副武装’)。


    该团队希望将不昂贵的钠离子电池,尽快推向欧洲市场的各个领域:


    “采用18650这种规格,使得我们能够让概念迅速成真,并与市场上现有的同规格电池在性能上进行同向比较。当然,我们也会开发出其它的规格,以迎合新的需求”。


    有机材料具有丰富的化学组成,氧化还原电位可调,可以实现多电子转移,而且原料来源丰富,成本低廉,材料可循环降解,对环境无害,作为钠离子电 池电极材料引起了大家的广泛关注。最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室E01课题组博士生吴晓燕、胡勇胜研究员等 发现了一种新型钠离子电池有机负极材料——2,5苯醌-1,4二钠(Na2C6H2O4)(中国发明专利,申请号:2014102450296),并研究 了电化学性能及其储钠机制。该材料的平均嵌钠电位为1.4V,首周可逆容量265mAh/g。由于嵌钠电位较高(>1.0V),充放电过程中表面形 成SEI膜极少,获得了较高的首周库仑效率(92%)。但有机材料的电导率普遍偏低,他们利用该材料溶于水的特点,又发展了一种喷雾干燥方法,一步制备和 构建了具有离子电子混合导电网络结构的Na2C6H2O4/CNT复合材料,表现出良好的循环和倍率性能,在7C倍率下,可逆容量达到136mAh /g,1C倍率下30周循环后容量保持在195mAh/g。同时,这一方法可以推广到具有低电导率的水溶性或油溶性材料,实现与亲水性或亲油性的碳纳米管 的有效复合,低成本、一步实现具有高电导率的复合电极材料(请参考Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 13193-13197)。


    进一步和A02组金士锋副研究员、陈小龙研究员合作,解析出Na2C6H2O4及其嵌钠态Na3C6H2O4和Na4C6H2O4的晶体结构, 发现它们的结构是由互相平行的有机苯环层和无机Na-O层交错堆叠而成的有机-无机层状结构。原位XRD结果显示,在前两周充放电中的结构变化为:首周放 电发生Na2→Na4的两相反应,首周充电中则依次发生Na4→Na3和Na3→Na2两个两相反应过程;在第二周的放电和充电过程中均出现中间相Na3 相。随着Na的嵌入,Na原子和羰基的配位情况发生了变化,Na3相的Na-O层相比于Na2相和Na4相发生了一定程度的扭曲,同时苯环与bc平面之间 的夹角减小,整个分子发生转动。结合第一性原理计算,E01组博士生章志珍等研究了Na2C6H2O4材料及其嵌钠态Na3C6H2O4和 Na4C6H2O4的电子结构及钠离子传输机制。发现电子在有机苯环层内传递和存储,苯环为氧化还原中心;而钠离子在无机Na-O层中扩散和存储,这个新 的机制类似于过渡金属层状氧化物材料。这对于设计新型的有机材料提供了理论指导。相关研究结果得到国际同行的高度认可,最近发表在Science子刊 Science Advances 2015, 1, e1500330。


    上述工作得到了国家自然科学基金委优秀青年基金、科技部863创新团队项目、基金委创新群体和中国科学院百人计划的大力支持。


有机负极材料2,5苯醌-1,4二钠(Na2C6H2O4)的化学结构式和电化学性能


Na2C6H2O4/CNT纳米多孔复合材料的倍率性能、循环性能及结构示意图


Na2C6H2O4前两周嵌钠过程的原位XRD图谱及反应路径示意图


Na2C6H2O4(A)、Na3C6H2O4(B)和Na4C6H2O4(C)的晶体结构


Na2C6H2O4(AD)、Na3C6H2O4(BE)和Na4C6H2O4(CF)的电荷密度图和电子态密度图


Na2C6H2O4(ABC)和Na4C6H2O4(DEF)中的钠离子扩散机理


Na2C6H2O4储钠机制与过渡金属层状氧化物对比

来源:cnbeta网站