日本改良鈉鉀電池有望替代鋰電池

2023-12-05 | 來源: 大紀元 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

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。

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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。