用于可充电电池的新型储钠电极材料，具有前所未有的能量密度

用于可充电电池的新型储钠电极材料，具有前所未有的能量密度


如今，大多数可充电电池都是锂离子电池，它由相对稀缺的元素制成，这就需要开发使用替代材料的电池。在一项新的研究中，日本东京科学大学的科学家发现了一种节能的方法，可以制造出具有极高钠储存能力的硬碳电极。这可能为下一代钠离子电池铺平道路，该电池由廉价而丰富的材料制成，并且具有比锂离子电池更高的能量密度。


成本效益高的可充电电池是几乎所有便携式电子设备的核心，这些设备在现代日常生活中无处不在。此外，可充电电池是许多环保技术的重要组成部分，例如电动汽车和获取可再生能源的系统。它们也是各种医疗设备的关键推动者，并作为电子传感器和相机的能源促进了各个领域的研究。因此，在开发更好、更便宜的可充电电池方面花费了大量精力，这并不奇怪。

到目前为止，可充电锂离子电池凭借其在容量、稳定性、价格和充电时间方面的出色性能占据了榜首。然而，锂和钴、铜等其他次要且昂贵的金属并不是地壳上最丰富的材料之一，它们不断增长的需求很快将导致世界各地的供应问题。在日本东京科学大学，Komaba Shinichi教授及其同事一直在努力寻找解决这一日益恶化的难题的方法，即使用替代的、更丰富的材料开发可充电电池。



在最近发表在《Angewandte Chemie国际版》上的一项研究中，该团队发现了一种生产新型碳基钠离子电池材料的节能方法。除了Komaba教授，该团队还包括东京科学大学的Azusa Kamiyama女士和Kei Kubota副教授，日本国立材料科学研究所的Yong Youn博士和Yoshitaka Tateyama博士，以及日本冈山大学的Kazuma Gotoh副教授。这项研究的重点是通过使用氧化镁（MgO）作为硬碳内部纳米孔的无机模板，合成硬碳，这是一种高多孔材料，可作为可充电电池的负极。



研究人员探索了一种不同的技术来混合MgO模板的成分，从而精确地调整所得硬碳电极的纳米结构。经过多次实验和理论分析，他们阐明了生产容量为478毫安时/克的硬碳的最佳制造条件和成分，这是该类型材料中有史以来最高的。Komaba教授表示，“到目前为止，用于钠离子电池的碳基负极材料的容量大多在300至350毫安时/克左右。尽管已经报道了接近438毫安时/g的值，但这些材料需要在1900°C以上的极高温度下进行热处理。相比之下，我们只在1500°C（相对较低的温度）下进行了热处理。”当然，温度越低，能源消耗就越低，这也意味着成本越低，对环境的影响也越小。



这种新开发的硬碳电极材料的容量无疑是惊人的，大大超过了目前用作锂离子电池负极材料的石墨（372毫安时/克）。此外，即使具有这种硬碳负极的钠离子电池理论上在比标准锂离子电池低0.3伏的电压差下运行，但前者的更高容量将导致更大的重量能量密度（1600Wh/kg对1430Wh/kg），导致能量密度增加+19%。



Komaba教授对这一结果感到兴奋，并着眼于未来，他说道：“我们的研究证明，实现高能钠离子电池是可能的，颠覆了人们普遍认为锂离子电池具有更高的能量密度。我们开发的具有极高容量的硬碳为设计新型储钠材料打开了大门。”



需要进一步的研究来验证所提出的材料在实际的钠离子电池中实际上提供了优越的寿命、输入输出特性和低温操作。如果运气好的话，我们可能即将见证下一代可充电电池的诞生！