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高比能、长寿命的柔性固态钠离子电池问世

作者:中国储能电站网 来源:电气新科技 时间:2020-03-25 浏览:
      根据国际市场研究机构Technavio最新发布的报告显示,基于消费电子产品需求不断增长,电动汽车的普及,2020-2024年锂离子电池市场规模有可能增长478.1亿美元,且增长动力将在预测期内加速。锂离子电池发展势头强劲,但锂离子电池本身却开始面临着增长的极限,尤其是使用寿命与能量密度的提高越来越困难,因此在寻找锂离子电池替代技术方面,钠离子电池成为一个新的极具应用潜力的方向。

钠离子电池是一种二次电池(充电电池),主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作,与锂离子电池工作原理相似。目前,钠离子电池能量密度大于100Wh/kg,可与磷酸铁锂电池相媲美,但是其成本优势明显,有望在大规模储能应用中取代传统铅酸电池;鉴于当前钠离子电池的能量密度只能达到120Wh/kg,相较于锂电池的能量密度(300Wh/kg以上)还相差甚远。

相比于锂元素,钠元素在地壳中的储藏量十分丰富,获得钠元素的方法也十分简单,其开采费用仅为锂的1%;钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5;钠离子电池无过放电特性,允许放电到零伏;由于钠盐特性,允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液,钠盐电导率高于锂电解液20%左右)降低成本;钠离子不与铝形成合金,负极可采用铝箔作为集流体,可进一步降低成本8%左右,降低重量10%左右。

业内人士认为,钠离子电池虽然能量密度不及锂离子电池,但是钠资源丰富,且获得十分容易,加之目前碳酸锂价格高涨,从长远看钠离子电池仍然具有十分广阔的应用前景,如一些对能量密度要求不高的领域,电网储能、调峰,风力发电储能,低速电动车、电动船、家庭储能等应用场合。

近年来,钠离子电池的研发已成为各国科研人员争相开发的热点领域。日前,中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组、中国科学技术大学、中科院宁波材料技术与工程研究所的研究人员,构筑了聚合物固态电解质和正极材料的一体化集成系统,有效地降低了固固界面阻抗,显著提高了电子、离子和电荷的传输效率,研制出了高比能、柔性的全固态钠离子电池。相关研究成果已发表于《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)。

图1 柔性全固态钠电池示意和循环稳定性

据介绍,传统的钠离子电池多采用液态电解质,容易出现漏液、燃烧等问题,而使用固态钠离子电解质取代易燃的有机液态电解液,可有效提高电池的安全性。但是,固态钠离子电池的发展也存在诸多挑问题,如固态电解质的离子电导率低;固态电解质与电极间的界面接触差;电极材料在脱嵌钠离子过程中的体积变化大,导致固态电池的内阻大、容量低、寿命短。因此,急需发展更加高效的解决方法来克服固态钠离子电池中存在的各种问题,以满足大规模商业化应用的需求。

该团队一方面设计并发展了光固化聚合法,制备出了一种新型聚合物固态电解质,所得电解质在室温下的离子电导率高达10-4S/cm,且具有极好的柔韧性;另一方面,利用溶胶凝胶法制备了薄层碳(5纳米)修饰的磷酸钒钠正极材料,提高了材料的电子、离子和电荷的传输效率。在此基础上,该团队构筑了聚合物电解质/电极材料一体化的集成系统,有效加强了固固界面接触,降低了电池界面阻抗,研制出了高比能、长寿命的柔性固态钠离子电池。

据介绍,该电池可以在0.5C倍率下稳定循环740次,且每次的容量衰减率仅为0.007%;该电池搁置3个月后,容量保留率仍高达95%,这表明自放电率极低;软包钠离子电池在平铺和弯折状态下循环535次后,仍可提供高达355Wh/kg的能量密度(基于正极材料质量计算)。该团队的设计策略及研究成果,为高比能柔性全固态钠电池的发展和应用提供了新方向。

钠离子电池是未来储能电池的重要发展方向之一,当然现在说钠离子电池取代锂电池似乎为时过早,但随着钠离子研发技术的不断进步,相信钠离子电池的商业化进程也将不断加快。

关键字:固态钠离子电池

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