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日本改良钠钾电池 有望替代锂电池

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日本东京大学理学院团队改良钠电池和钾电池获得重大突破,有望超越锂电池。图为可用USB进行充电的锂电池。(David Mcnew/AFP)


锂电池与钠、钾电池几乎是同时开发的,但钠、钾电池因能量密度较差,导致它们在发展上不被看好。这次,日本研究人员利用硬碳(HC)和锌氧化物优化两种电池的负极材料,使得其电池能量密度均表现出优异的性能。

锂电池在开发过程中会导致地球上锂金属的储存量不断减少。另外,锂金属从采集到精炼,再到加工成电池的过程中会对环境造成污染,还需要消耗大量生活中的饮用淡水和能源。相比之下,钠、钾要比锂的储量更多且容易取得,这使得钠、钾电池有望成为下一代电池的主流。


日本东京大学理学院(Tokyo University of Science,TUS)驹场真一(Shinichi Komaba)教授领导的研究小组,使用纳米结构“硬碳”(HC)做成电极的新合成策略,使得钠电池(NIB)和钾电池(KIB)类型的电池性能大幅提高。这项新发明于11月9日发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)杂志。

“硬碳”是一种很有前途的钠离子电池负极材料,是因为硬碳能以电化学方式储存钠离子(Na+)。硬碳与石墨烯或钻石等其它形式的碳不同,它缺乏明确的晶体结构,并无定形的碳结构,但却坚固耐用,且在高温中有许多较大的孔洞,还可以用电化学的形式储存锂、钠和钾等碱金属。

基于这种特性,驹场教授和同事们在2021年初对这种材料进行研究。他们通过改善合成条件,进而优化钠储存结构来提高钠电池的容量。

他们将“硬碳”与氧化镁(MgO)作为模板,从而改变其内部最终的纳米结构。这种改变过程是去除氧化镁,在碳电极内形成纳米孔,这个结果反而大大地增加了电极储存钠离子的能力,让这种电池的可逆容量(可逆转的电池容量)提高。

实验团队受此启发,又探索二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)和碳酸钙(CaCO3)是否也可用作硬碳电极的纳米模板,从而改变其最终的纳米结构,让硬碳电极内形成新的纳米孔。


实验人员将这些化合物以600℃进行预热,使得材料被热解,并转化为碳和无机颗粒的复合物,作为主要纳米孔模板,之后放进盐酸中浸泡,消除碳表面上多余的无机颗粒,使其留下更多的孔位。

最终他们将其放入惰性气体中,并加热至1,400℃,使碳转化成“硬碳”和形成封闭的纳米孔,而高温使其它的氧化金属被蒸发,留下有良好纳米孔洞的硬碳模板。最后,以碳热还原反应将钠金属嵌入封闭的纳米孔。

结果显示,氧化锌生成的纳米孔效果,要比先前氧化镁的更大和更佳。而碳酸钙效果最差,其原因是钙金属的沸点大于1400℃,因此在热处理中没有完全蒸发,而是以氧化钙(CaO)或碳酸钙(CaCO3)的形式存在。


另外,“葡萄糖酸锌”和“醋酸锌”若以3比1的比例调和成混合物作为起始原料,做成氧化锌的硬碳模板,不仅不含锌金属,还能让钠电池的可逆容量提高至464mAh/g。

该容量相当于碳化钠(NaC)的可逆容量,且具有91.7%的高初始放电效率和0.18V的低平均电位,在经过200次充放电循环后,依然保持93%的初始容量。

该团队透过优化的“硬碳”作为钠电池负极。这种强大的电极材料融入实际电池中让整个电池能量密度达到312Wh/kg,实验效果可谓十分显著。

另外,实验人员在钾电池中使用氧化锌的硬碳模板做实验时,也显示出381mAh/g的可逆容量,这证明氧化锌做出的硬碳材料也能适用于钾电池。


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