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锂电池硬碳负极材料的倍率性能被低估
发布人:裕丰碳纤维 发布时间:2017-11-08 11:18 阅读量:

   风能、太阳能等可再生能源的充分利用依赖于低成本大型储能技术的发展。钠离子电池和锂离子电池具有相似的原理及生产流程,且钠资源的分布广泛,近年来得到了广泛的关注。无论是锂离子电池还是钠离子电池,倍率性能都是评价其性能的关键指标。目前,钠离子电池正极材料的研发已经取得了重要进展。然而,对于负极而言,广泛应用于锂离子电池中的石墨负极在钠离子电池中没有电化学性能。

  硬碳材料,也被称为不可石墨化无定形碳,是目前众多负极材料中综合性能最好的。由于该材料具有较高的容量、稳定的循环性能以及前驱体取材广泛,将在未来钠离子电池商业化中起到重要的作用。近年来,随着不同前驱体、不同结构以及掺杂等技术的研究,硬碳负极材料的性能得到了进一步的提升。然而,硬碳负极材料的倍率性能一直较差,成为其未来商业化的绊脚石。

  俄勒冈州立大学的纪秀磊教授团队,在最近的研究中发现,硬碳的倍率性能由于半电池测试体系的限制而被显著低估。钠离子电池电极材料的评价测试,沿用了广泛应用于锂离子电池的半电池测试评价体系。在该半电池体系中,锂片/钠片既被用作电池的对电极,同时也是参比电极。该测试体系能够很好地应用于锂离子电池以及大多数的钠离子电池负极材料的评价中。

  然而,对于硬碳材料而言,此测试体系并不能完全展示出硬碳材料的特性。这是由于硬碳材料一半以上的容量是来自低电压的平台部分(~0。05 V vs。 Na+/Na),在钠离子嵌入(放电)过程中,尤其是高电流条件下,钠金属上的过电位会造成钠离子嵌入的提前结束,从而造成其在高电流下较低的容量。这就可能掩盖了硬碳自身可能具有较高的倍率性能。因此,纪教授团队采用三电极测试体系对硬碳材料的倍率性能进行了评价,并发现在1 C(250 mA/g)的电流下,容量由传统半电池中的118 mAh/g提高到186 mAh/g。

三电池测试体系的结构示意图

三电池测试体系的结构示意图

  他们通过硬碳材料在三电极体系中的充放电曲线可以清晰地看到,钠片对电极的电位在充放电过程中有着较大的极化现象,并随着充放电电流的增大而提高。该极化现象在传统半电池体系中将会造成钠离子嵌入硬碳的提前终止。由此造成的容量损失在10 C的电流下,可占其总容量的57%。这一发现揭示了硬碳材料本身在钠离子电池中具有较好的倍率性能,有益于硬碳材料的发展和商业化。

不同电流下三电极体系中的充放电曲线

不同电流下,三电极体系中的充放电曲线

  科研思路分析

  问:这项研究的想法是如何产生的?

  答:长期以来,学术界对于硬碳材料在钠离子电池中的低倍率性能几乎达成共识,并认为这是由材料自身的结构决定的。学术界广泛采用半电池体系对电极材料进行评价,该方法在硬碳材料的评价上并未受到质疑。然而,我们在前期对于钠离子电池的一些研究中发现,在半电池体系中,钠片作为对电极在高电流下的极化现象显著。考虑到硬碳材料接近钠金属标准氧化电位的低电压充放电平台,我们假想半电池中钠片的过电位会掩盖硬碳材料的高倍率性能。因此,我们采用了三电极体系对硬碳材料进行了评价。

  问:这项研究成果的有何影响?

  答:半电池在钠离子电池电极材料的评价中,并未受到过多的质疑。而本研究指出了半电池体系在对钠离子电池电极材料,尤其是对于硬碳材料评价中的天然缺陷。这一发现对未来硬碳材料在钠离子电池中的研究具有指导意义。更为重要的是,该研究揭示了硬碳材料自身的高倍率性能,必将促进其未来的商业化。



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