化學(xué)電源的新寵鈉離子電池

化學(xué)電源的新寵鈉離子電池第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一個人簡介自我介紹姓名：姜強(qiáng)專業(yè)：無機(jī)化學(xué)課題方向：鈉離子電池正極材料興趣愛好：看書、聽音樂、打球、爬山、旅游······座右銘：當(dāng)你知道自己想要什么的時候，全世界都會為你讓路！第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一目錄1引言2鈉離子電池研究進(jìn)展3我的工作本文目錄結(jié)構(gòu)4總結(jié)第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

引言第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1引言電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展背景能源是支撐整個人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代社會發(fā)展須臾不可或缺的基本條件。隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類社會對能源的依存度不斷提高。據(jù)統(tǒng)計，目前世界每年能源消費總量的70%來源于不可再生的化石燃料(煤、石油、天氣）。中國與世界能源消耗結(jié)構(gòu)第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一環(huán)境污染資源枯竭戰(zhàn)爭溫室效應(yīng)疾病1引言電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展背景因此改變現(xiàn)有不合理的能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生清潔能源，并逐步替代化石能源，已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問題。風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿染鶎儆诳稍偕鍧嵞茉?，將成為未來的主要能源來源。然而，可再生能源一般具有總量大、能量密度低、隨機(jī)性、間歇性等特點，導(dǎo)致其難以使用。在這種形勢下，發(fā)展高效便捷的儲能技術(shù)以滿足人類的能源需求成為世界范圍內(nèi)研究熱點。第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一物理類儲能1引言電化學(xué)儲能電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展背景目前主流的儲能技術(shù)第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一效率高1引言投資少電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展背景使用安全應(yīng)用靈活電化學(xué)儲能第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1引言幾類電化學(xué)儲電技術(shù)比較1799年2013/12/13

Volta發(fā)明“伏打電池”目前常用的電化學(xué)儲能體系200years液流電池超級電容器二次電池

鉛酸電池鎳-鎘電池鋰離子電池鈉離子電池第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1引言幾類電化學(xué)儲電技術(shù)比較主要電化學(xué)儲能技術(shù)的對比第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一鈉離子電池研究進(jìn)展第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.鈉離子電池研究進(jìn)展

鈉離子電池實際上是一種濃差電池，正負(fù)極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成。充電時，Na+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鈉態(tài)，正極處于貧鈉態(tài)，同時電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到極，保證正負(fù)極電荷平衡。放電時則相反，Na+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于處于富鈉態(tài)。鈉離子電池簡介鈉離子電池工作原理示意圖第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)鈉離子電池主要由正極、負(fù)極和電解液組成。其中，正、負(fù)極材料是電池的核心部件，其性能直接決定了電池的電化學(xué)性能，因而，開發(fā)性能優(yōu)異、價格低廉的鈉離子電池正負(fù)極材料將成為今后的研究重點。幾種重要的鈉離子電池正、負(fù)極材料的容量和電壓值第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)作為鈉離子電池關(guān)鍵部件之一的正極材料應(yīng)該滿足下列要求：①較高的氧化還原電位，且電位受材料嵌鈉量的影響較小；②具有較高的比容量；③有足夠的離子擴(kuò)散通道，確保鈉離子快速嵌入和脫出；④有較高的電化學(xué)反應(yīng)活性；⑤良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性；⑥應(yīng)具有制備工藝簡單、資源豐富以及環(huán)境友好等特點。層狀過渡金屬氧化物NaxMO2(M=Co、Mn、Ni,0<x<1)，過渡金屬氟化物MFx聚陰離子型化合物(NaMPO4，NaMPO4F)第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)在尋找可行的鈉離子電池負(fù)極材料時，必須考慮以下要求：①鈉嵌入的過程中電極電位變化較小，并接近金屬鈉的電位，從而保證電池的輸出電壓高；②鈉在主體材料中的可逆嵌入量和充放電效率要盡可能高，以保證電池具有較高的能量密度；③在鈉的脫嵌過程中，主體結(jié)構(gòu)的體積變化應(yīng)盡可能小，以獲得較好的循環(huán)穩(wěn)定性；④電極材料具有較高的電子電導(dǎo)率和鈉離子遷移速率，確保電池可以進(jìn)行大電流充放電；⑤與電解液的相容性好，同時具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；⑥價格低廉，原料豐富，對環(huán)境無污染，容易制備。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池體系的關(guān)鍵技術(shù)Na0.44MnO2

垂直于ab平面Na離子通道磷酸鹽材料的晶體結(jié)構(gòu)Na2FePO4F的晶體結(jié)構(gòu)第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一中科院物理所的鈉離子電池理論能量密度為180Wh/kg（基于正負(fù)極活材料的質(zhì)量計算）2.鈉離子電池研究進(jìn)展第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一美國AquionEnergy公司負(fù)極：低成本活性炭，具有電化學(xué)電容效應(yīng)；正極：Na0.44MnO2，倍率性能良好；電解液：Na2SO4中性水溶液；隔膜：無紡布；極板厚度為幾毫米；聚丙烯外包裝，方形疊堆結(jié)構(gòu)；30Wh，可用電壓為0.5-1.8V$300/kWh，鋰電成本1/3；5000次保持率85%2.鈉離子電池研究進(jìn)展第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一東京理科大學(xué)試制的鈉離子電池2.鈉離子電池研究進(jìn)展第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池的優(yōu)勢與未來原料資源豐富，成本低廉，分布廣泛能利用分解電勢更低的電解質(zhì)溶劑及電解質(zhì)鹽，電解質(zhì)的選擇范圍更寬有相對穩(wěn)定的電化學(xué)性能，使用更加安全優(yōu)勢第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.鈉離子電池研究進(jìn)展鈉離子電池的優(yōu)勢與未來電池開發(fā)路線圖

第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一我的工作第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一3.我的工作工作流程圖想法(Idea)尋找思路(Find)SynthesisofAminoAcids文獻(xiàn)確定方法(Way)1JACS19952JOC1987SynthesisofAminoAcids

開題SynthesisofAminoAcids實驗

(Test)1JACS19952JOC1987第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一實驗實驗部分材料的制備電化學(xué)性能測試結(jié)構(gòu)和形貌的表征鈉離子正極材料Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2的制備及條件探究第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一實驗部分材料的制備Mn2+，Ni2+，Co2+，SO42-solutionNH4HCO3

solution

Co-precipitationMn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3Na2CO3MixingHeatingNa1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一實驗部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征球形三元材料前驅(qū)體Mn0.675Co0.1625Ni0.1625CO3XRD圖第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一實驗部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征前驅(qū)體煅燒物SEM圖第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一實驗部分結(jié)構(gòu)和形貌的表征Na1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2XRD圖第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一實驗部分電化學(xué)性能測試將材料組裝成CR2025型扣式電池電池進(jìn)行充放電循環(huán)測試。按0.65:0.25的比例稱取正極材料和乙炔黑，混合均勻后，用異丙醇作溶劑，滴加1d粘合劑，研磨后壓膜，在真空手套箱中組裝成模擬電池。在室溫下用LAND電池測試系統(tǒng)對電池進(jìn)行恒電流循環(huán)充放電測試，電壓范圍為2-4.8V，電流密度1C=300mA·g-1。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一總結(jié)第30頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一總結(jié)