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                鋰電池硬碳負極材料的倍率性能被低估
                發布人:裕豐碳纖維 發布時間:2017-11-08 11:18 閱讀量:

                   風能、太陽能等可再生能源的充分利用依賴于低成本大型儲能技術的發展。鈉離子電池和鋰離子電池具有相似的原理及生產流程,且鈉資源的分布廣泛,近年來得到了廣泛的關注。無論是鋰離子電池還是鈉離子電池,倍率性能都是評價其性能的關鍵指標。目前,鈉離子電池正極材料的研發已經取得了重要進展。然而,對于負極而言,廣泛應用于鋰離子電池中的石墨負極在鈉離子電池中沒有電化學性能。

                  硬碳材料,也被稱為不可石墨化無定形碳,是目前眾多負極材料中綜合性能最好的。由于該材料具有較高的容量、穩定的循環性能以及前驅體取材廣泛,將在未來鈉離子電池商業化中起到重要的作用。近年來,隨著不同前驅體、不同結構以及摻雜等技術的研究,硬碳負極材料的性能得到了進一步的提升。然而,硬碳負極材料的倍率性能一直較差,成為其未來商業化的絆腳石。

                  俄勒岡州立大學的紀秀磊教授團隊,在最近的研究中發現,硬碳的倍率性能由于半電池測試體系的限制而被顯著低估。鈉離子電池電極材料的評價測試,沿用了廣泛應用于鋰離子電池的半電池測試評價體系。在該半電池體系中,鋰片/鈉片既被用作電池的對電極,同時也是參比電極。該測試體系能夠很好地應用于鋰離子電池以及大多數的鈉離子電池負極材料的評價中。

                  然而,對于硬碳材料而言,此測試體系并不能完全展示出硬碳材料的特性。這是由于硬碳材料一半以上的容量是來自低電壓的平臺部分(~0。05 V vs。 Na+/Na),在鈉離子嵌入(放電)過程中,尤其是高電流條件下,鈉金屬上的過電位會造成鈉離子嵌入的提前結束,從而造成其在高電流下較低的容量。這就可能掩蓋了硬碳自身可能具有較高的倍率性能。因此,紀教授團隊采用三電極測試體系對硬碳材料的倍率性能進行了評價,并發現在1 C(250 mA/g)的電流下,容量由傳統半電池中的118 mAh/g提高到186 mAh/g。

                三電池測試體系的結構示意圖

                三電池測試體系的結構示意圖

                  他們通過硬碳材料在三電極體系中的充放電曲線可以清晰地看到,鈉片對電極的電位在充放電過程中有著較大的極化現象,并隨著充放電電流的增大而提高。該極化現象在傳統半電池體系中將會造成鈉離子嵌入硬碳的提前終止。由此造成的容量損失在10 C的電流下,可占其總容量的57%。這一發現揭示了硬碳材料本身在鈉離子電池中具有較好的倍率性能,有益于硬碳材料的發展和商業化。

                不同電流下三電極體系中的充放電曲線

                不同電流下,三電極體系中的充放電曲線

                  科研思路分析

                  問:這項研究的想法是如何產生的?

                  答:長期以來,學術界對于硬碳材料在鈉離子電池中的低倍率性能幾乎達成共識,并認為這是由材料自身的結構決定的。學術界廣泛采用半電池體系對電極材料進行評價,該方法在硬碳材料的評價上并未受到質疑。然而,我們在前期對于鈉離子電池的一些研究中發現,在半電池體系中,鈉片作為對電極在高電流下的極化現象顯著??紤]到硬碳材料接近鈉金屬標準氧化電位的低電壓充放電平臺,我們假想半電池中鈉片的過電位會掩蓋硬碳材料的高倍率性能。因此,我們采用了三電極體系對硬碳材料進行了評價。

                  問:這項研究成果的有何影響?

                  答:半電池在鈉離子電池電極材料的評價中,并未受到過多的質疑。而本研究指出了半電池體系在對鈉離子電池電極材料,尤其是對于硬碳材料評價中的天然缺陷。這一發現對未來硬碳材料在鈉離子電池中的研究具有指導意義。更為重要的是,該研究揭示了硬碳材料自身的高倍率性能,必將促進其未來的商業化。



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