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日本改良鈉鉀電池 有望替代鋰電池

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日本東京大學理學院團隊改良鈉電池和鉀電池獲得重大突破,有望超越鋰電池。圖為可用USB進行充電的鋰電池。(David Mcnew/AFP)


鋰電池與鈉、鉀電池幾乎是同時開發的,但鈉、鉀電池因能量密度較差,導致它們在發展上不被看好。這次,日本研究人員利用硬碳(HC)和鋅氧化物優化兩種電池的負極材料,使得其電池能量密度均表現出優異的性能。

鋰電池在開發過程中會導致地球上鋰金屬的儲存量不斷減少。另外,鋰金屬從采集到精煉,再到加工成電池的過程中會對環境造成污染,還需要消耗大量生活中的飲用淡水和能源。相比之下,鈉、鉀要比鋰的儲量更多且容易取得,這使得鈉、鉀電池有望成為下一代電池的主流。


日本東京大學理學院(Tokyo University of Science,TUS)駒場真一(Shinichi Komaba)教授領導的研究小組,使用納米結構“硬碳”(HC)做成電極的新合成策略,使得鈉電池(NIB)和鉀電池(KIB)類型的電池性能大幅提高。這項新發明於11月9日發表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)雜志。

“硬碳”是一種很有前途的鈉離子電池負極材料,是因為硬碳能以電化學方式儲存鈉離子(Na+)。硬碳與石墨烯或鑽石等其它形式的碳不同,它缺乏明確的晶體結構,並無定形的碳結構,但卻堅固耐用,且在高溫中有許多較大的孔洞,還可以用電化學的形式儲存鋰、鈉和鉀等鹼金屬。

基於這種特性,駒場教授和同事們在2021年初對這種材料進行研究。他們通過改善合成條件,進而優化鈉儲存結構來提高鈉電池的容量。

他們將“硬碳”與氧化鎂(MgO)作為模板,從而改變其內部最終的納米結構。這種改變過程是去除氧化鎂,在碳電極內形成納米孔,這個結果反而大大地增加了電極儲存鈉離子的能力,讓這種電池的可逆容量(可逆轉的電池容量)提高。

實驗團隊受此啟發,又探索二氧化硅(SiO2)、氧化鋅(ZnO)和碳酸鈣(CaCO3)是否也可用作硬碳電極的納米模板,從而改變其最終的納米結構,讓硬碳電極內形成新的納米孔。


實驗人員將這些化合物以600℃進行預熱,使得材料被熱解,並轉化為碳和無機顆粒的復合物,作為主要納米孔模板,之後放進鹽酸中浸泡,消除碳表面上多余的無機顆粒,使其留下更多的孔位。

最終他們將其放入惰性氣體中,並加熱至1,400℃,使碳轉化成“硬碳”和形成封閉的納米孔,而高溫使其它的氧化金屬被蒸發,留下有良好納米孔洞的硬碳模板。最後,以碳熱還原反應將鈉金屬嵌入封閉的納米孔。

結果顯示,氧化鋅生成的納米孔效果,要比先前氧化鎂的更大和更佳。而碳酸鈣效果最差,其原因是鈣金屬的沸點大於1400℃,因此在熱處理中沒有完全蒸發,而是以氧化鈣(CaO)或碳酸鈣(CaCO3)的形式存在。


另外,“葡萄糖酸鋅”和“醋酸鋅”若以3比1的比例調和成混合物作為起始原料,做成氧化鋅的硬碳模板,不僅不含鋅金屬,還能讓鈉電池的可逆容量提高至464mAh/g。

該容量相當於碳化鈉(NaC)的可逆容量,且具有91.7%的高初始放電效率和0.18V的低平均電位,在經過200次充放電循環後,依然保持93%的初始容量。

該團隊透過優化的“硬碳”作為鈉電池負極。這種強大的電極材料融入實際電池中讓整個電池能量密度達到312Wh/kg,實驗效果可謂十分顯著。

另外,實驗人員在鉀電池中使用氧化鋅的硬碳模板做實驗時,也顯示出381mAh/g的可逆容量,這證明氧化鋅做出的硬碳材料也能適用於鉀電池。


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