化学电源的新宠――钠离子电池

化学电源的新宠——钠离子电池的研究进展汇报人：姜强湖北大学化学化工学院锂离子电池实验室2013.12.13指导老师：冯传启教授个人简介自我介绍姓名：姜强专业：无机化学课题方向：钠离子电池正极材料兴趣爱好：看书、听音乐、打球、爬山、旅游······座右铭：当你知道自己想要什么的时候，全世界都会为你让路！目录1引言2钠离子电池研究进展3我的工作本文目录结构4总结引言1引言电化学储能技术的发展背景能源是支撑整个人类文明进步的物质基础，也是现代社会发展须臾不可或缺的基本条件。随着社会经济的高速发展，人类社会对能源的依存度不断提高。据统计，目前世界每年能源消费总量的70%来源于不可再生的化石燃料(煤、石油、天气）。中国与世界能源消耗结构环境污染资源枯竭战争温室效应疾病1引言电化学储能技术的发展背景因此改变现有不合理的能源结构，大力发展可再生清洁能源，并逐步替代化石能源，已成为人类社会可持续发展面临的首要问题。风能、太阳能、潮汐能、地热能等均属于可再生清洁能源，将成为未来的主要能源来源。然而，可再生能源一般具有总量大、能量密度低、随机性、间歇性等特点，导致其难以使用。在这种形势下，发展高效便捷的储能技术以满足人类的能源需求成为世界范围内研究热点。物理类储能1引言电化学储能电化学储能技术的发展背景目前主流的储能技术效率高1引言投资少电化学储能技术的发展背景使用安全应用灵活电化学储能1引言几类电化学储电技术比较1799年2013/12/13Volta发明“伏打电池”目前常用的电化学储能体系200years液流电池超级电容器二次电池铅酸电池镍-镉电池锂离子电池钠离子电池1引言几类电化学储电技术比较主要电化学储能技术的对比钠离子电池研究进展2.钠离子电池研究进展钠离子电池实际上是一种浓差电池，正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。充电时，Na+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富钠态，正极处于贫钠态，同时电子的补偿电荷经外电路供给到极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于处于富钠态。钠离子电池简介钠离子电池工作原理示意图2.钠离子电池研究进展钠离子电池体系的关键技术钠离子电池主要由正极、负极和电解液组成。其中，正、负极材料是电池的核心部件，其性能直接决定了电池的电化学性能，因而，开发性能优异、价格低廉的钠离子电池正负极材料将成为今后的研究重点。几种重要的钠离子电池正、负极材料的容量和电压值2.钠离子电池研究进展钠离子电池体系的关键技术作为钠离子电池关键部件之一的正极材料应该满足下列要求：①较高的氧化还原电位，且电位受材料嵌钠量的影响较小；②具有较高的比容量；③有足够的离子扩散通道，确保钠离子快速嵌入和脱出；④有较高的电化学反应活性；⑤良好的结构稳定性和电化学稳定性；⑥应具有制备工艺简单、资源丰富以及环境友好等特点。层状过渡金属氧化物NaxMO2(M=Co、Mn、Ni,0x1)，过渡金属氟化物MFx聚阴离子型化合物(NaMPO4，NaMPO4F)2.钠离子电池研究进展钠离子电池体系的关键技术在寻找可行的钠离子电池负极材料时，必须考虑以下要求：①钠嵌入的过程中电极电位变化较小，并接近金属钠的电位，从而保证电池的输出电压高；②钠在主体材料中的可逆嵌入量和充放电效率要尽可能高，以保证电池具有较高的能量密度；③在钠的脱嵌过程中，主体结构的体积变化应尽可能小，以获得较好的循环稳定性；④电极材料具有较高的电子电导率和钠离子迁移速率，确保电池可以进行大电流充放电；⑤与电解液的相容性好，同时具有较高的化学稳定性和热稳定性；⑥价格低廉，原料丰富，对环境无污染，容易制备。2.钠离子电池研究进展钠离子电池体系的关键技术Na0.44MnO2垂直于ab平面Na离子通道磷酸盐材料的晶体结构Na2FePO4F的晶体结构中科院物理所的钠离子电池理论能量密度为180Wh/kg（基于正负极活材料的质量计算）2.钠离子电池研究进展美国AquionEnergy公司负极：低成本活性炭，具有电化学电容效应；正极：Na0.44MnO2，倍率性能良好；电解液：Na2SO4中性水溶液；隔膜：无纺布；极板厚度为几毫米；聚丙烯外包装，方形叠堆结构；30Wh，可用电压为0.5-1.8V$300/kWh，锂电成本1/3；5000次保持率85%2.钠离子电池研究进展东京理科大学试制的钠离子电池2.钠离子电池研究进展2.钠离子电池研究进展钠离子电池的优势与未来原料资源丰富，成本低廉，分布广泛能利用分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐，电解质的选择范围更宽有相对稳定的电化学性能，使用更加安全优势2.钠离子电池研究进展钠离子电池的优势与未来电池开发路线图我的工作3.我的工作工作流程图想法(Idea)寻找思路(Find)SynthesisofAminoAcids文献确定方法(Way)1JACS19952JOC1987SynthesisofAminoAcids开题NOONSynthesisofAminoAcids实验(Test)1JACS19952JOC1987实验实验部分材料的制备电化学性能测试结构和形貌的表征钠离子正极材料Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2的制备及条件探究实验部分材料的制备Mn2+，Ni2+，Co2+，SO42-solutionNH4HCO3solutionCo-precipitationMn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3Na2CO3MixingHeatingNa1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2实验部分结构和形貌的表征球形三元材料前驱体Mn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3XRD图实验部分结构和形貌的表征前驱体煅烧物SEM图实验部分结构和形貌的表征Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2XRD图实验部分电化学性能测试将材料组装成CR2025型扣式电池电池进行充放电循环测试。按0.65:0.25的比例称取正极材料和乙炔黑，混合均匀后，用异丙醇作溶剂，滴加1d粘合剂，研磨后压膜，在真空手套箱中组装成模拟电池。在室温下用LAND电池测试系统对电池进行恒电流循环充放电测试，电压范围为2-4.8V，电流密度1C=300mA·g-1。总结总结钠离子电池是一种很有发展前景的，并有可能替代锂离子电池的新型电池。材料创新是实现钠电池技术进步的重点，电池材料的研究方兴未艾。钠离子电池的正负极材料及电解液的研究和开发逐渐成为国际能源研究的热点课题，并在近年来取得了巨大的进步。革命尚未成功，我还需更加努力，进一步摸索，解决当前面临的问题。