物理所基于無煙煤軟碳負極材料開發(fā)低成本鈉離子電池

　　環(huán)境污染問題日益突出，風能、太陽能等清潔能源的利用越來越受到人們的關(guān)注，但是這些能源是間隙性的，限制了其發(fā)展和廣泛應用，大規(guī)模儲能技術(shù)是解決可再生能源高效利用瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。鋰離子電池是一種非常重要的儲能技術(shù)，廣泛應用于便攜電子設備和新能源汽車上，隨著電動汽車、智能電網(wǎng)時代的到來，鋰離子電池大規(guī)模發(fā)展受到鋰資源短缺的瓶頸制約。與鋰相比，鈉儲量豐富、分布廣泛、成本低廉，并且與鋰具有相似的理化性質(zhì)，因而鈉離子電池的研究再一次受到科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。與鋰離子電池相比，鈉離子電池的能量密度通常較低，雖不太適合應用在對能量密度有較高需求的便攜式電子設備和電動汽車領(lǐng)域，但適合應用于對能量密度要求不太高、對成本敏感的低速電動車和通訊基站、家庭儲能、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域。高性能電極材料的開發(fā)對實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化應用至關(guān)重要，特別是高性能、低成本的負極材料仍是制約鈉離子電池實用化的瓶頸。

　　在眾多報道的鈉離子電池負極材料中，高度有序的石墨類軟碳負極材料儲鈉容量較低（通常低于100 mAh/g），而高度無序的硬碳材料由于具有高的比容量和長循環(huán)壽命等優(yōu)良的綜合性能而被認為是最有應用前景的一種負極材料。中國科學院物理研究所博士生李云明、研究員胡勇勝等利用水熱方法得到了一種硬碳微球，接著又利用棉花作為前驅(qū)體通過一步碳化法得到了一種硬碳微管，雖然硬碳具有優(yōu)異的儲鈉性能，但是其高昂成本限制了產(chǎn)業(yè)化應用。接著他們提出在軟碳前驅(qū)體瀝青中加入第二相例如硬碳前驅(qū)體，利用二者之間的相互作用得到了一種無序度較高的非晶碳材料，并且這種復合前驅(qū)體具有較高的產(chǎn)碳率（60%左右），作為鈉離子電池的負極材料，其展現(xiàn)了高達250mAh/g的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

　　最近，他們在鈉離子電池碳基負極材料上取得了突破，采用成本更加低廉的無煙煤作為前驅(qū)體，通過簡單的粉碎和一步碳化得到了一種具有優(yōu)異儲鈉性能的碳負極材料。裂解無煙煤得到的是一種軟碳材料，但不同于來自于瀝青的軟碳材料，在1600°C以下仍具有較高的無序度，產(chǎn)碳率高達90%，儲鈉容量達到220mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。最重要的是在所有的碳基負極材料中具有最高的性價比。其應用前景也在軟包電池中得以驗證，以其作為負極和Cu基層狀氧化物作為正極制作的軟包電池的能量密度達到100Wh/kg，在1C充放電倍率下容量保持率為80%，循環(huán)穩(wěn)定，并通過了一系列適于鋰離子電池的安全試驗。低成本鈉離子電池的開發(fā)成功將有望率先應用于低速電動車，實現(xiàn)低速電動車的無鉛化，隨著技術(shù)的進一步成熟，將推廣到通訊基站、家庭儲能、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域。

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《材料化學雜志A》（J. Mater. Chem. A 3 (2015) 71-77）、《先進能源材料》（Adv. Energy Mater. 6 (2016) 1600659）、《儲能材料》（Energy Storage Mater. 2 (2016) 139-145）、《材料化學雜志A》（J. Mater. Chem. A 4 (2016) 96-104）、《儲能材料》（Energy Storage Mater. 5 (2016) 191–197）上。該系列工作得到了國家自然科學基金委優(yōu)秀青年基金、科技部“863”創(chuàng)新團隊項目和中科院百人計劃的支持。

　　圖1.（a）硬碳球形貌；（b）硬碳微管形貌；（c）不同熱處理溫度下硬碳球的充放電曲線；（d）不同熱處理溫度下硬碳微管的充放電曲線。

　　圖2.（a）瀝青基復合非晶碳負極合成原理圖；（b）瀝青、木質(zhì)素及其復合物的TG曲線；（c）復合碳負極充放電曲線。

　　圖3.（a）無煙煤TG/DSC曲線；（b）不同裂解溫度下無煙煤的充放電曲線；（c）1200℃裂解無煙煤循環(huán)性能；（d）以裂解無煙煤為負極的軟包電池；（e）軟包電池的倍率性能；（f）軟包電池的循環(huán)性能。