191113-钠离子电池技术概况.ppt

* Fe(CN)6-3/-4 –PPy 的电化学储钠性质 M. Zhou, et.al., RSC Adv., 2012, 2, 5495–5498 固定化掺杂聚吡咯表现出显著增强的电化学活性：可逆储钠放电容量达到120 mAh g-1,循环70周容量衰减仅为10%，且在8C率时可放出60%以上的可逆容量。 * 几类典型体系 -全有机钠离子电池 正负极采用具有双极性的电化学活性聚合物（如PPP，PTh),正极利用其阴离子掺杂-脱杂反应，负极利用其钠离子嵌入-脱出反应，构建全有机二次电池。 L. M. Zhu, et.al, Chem. Commun., 2013, 49, 567--569 正极反应： 负极反应： 电池反应： 实际上，在这类柔性骨架中，阴阳离子的化学性质并不十分重要，电化学性能取决于聚合物链段。采用何种电解质， * 基于PPP的全有机锂离子电池 以 LiFP6 为例,这类电池的反应性质如下.若采用 NaFP6 则可看作是钠离子电池. * 水溶液钠离子电池 采用一对嵌入化合物，可以构建水溶液钠离子电池体系。 Na2NiFeⅡ(CN)6 - Na+ - e- ? NaNiFeⅢ(CN)6 NaTi2(PO4)3 + Na+ + e- ? Na2Ti2(PO4)3 * NaTi2(PO4)3 - Na2NiFe(CN)6 型水系钠离子电池性能 充放电曲线 倍率性能 能量密度 X. Wu et al. / Electrochemistry Communications 31 (2013) 145–148 * 近年的工作证实了钠离子电池的可行性， 报道了多种类型的正负极材料和结构体系，为后续技术发展开拓了方向。 廉价、高性能材料是实现钠离子电池商品化的关键。即要借鉴锂离子材料的经验，又要了解两者之间巨大差异，对于天量的钠盐化合物进行“深耕细作”，应当很快产生重大突破。 结 语 钠离子电池技术概况 * 研究背景 关键材料与技术 几类典型体系 现状与展望 主要内容： * 一. 研究背景 在构建新能源社会中，规模储电是众多应用中的关键技术。 对规模储电而言，首要因素是成本与环境效益，能量密度次之。 风电、光电储存 削峰填谷 备用电源 清洁交通能源 * 在各种电化学储电方式中，二次电池使用与维护最为方便。 目前成熟的二次电池体系，几乎都不适合大规模储能应用。 现有电化学储能体系的问题 Pd-acid: 污染 Ni-MH: 价格 Li-ion: 资源 * 锂的资源问题 全球锂资源基础储量（碳酸锂计）约为58M吨，可开采储量约为25M吨。 目前全球碳酸锂年消耗量约为7至8万吨，预计可开采时间不过50多年。 每KWh 锂离子电池用锂量折合为碳酸锂约为1.4 kg。2011年全球累计风电装机容量240 GW(KMW)，8h储电需要2000 K·MWh（1.5 M吨）。 The Trouble with Lithium W. Tahil, Meridian International Research, 2006； Is lithium the new gold? J. M. Tarascon, Nature Chemistry 2010, 2, 510 大多数锂资源集中于海拔4000米以上高原盐湖，开发利用困难。 * 据日本2010年报告，若50%汽车替换为电动车，需要金属锂7.9 M吨（折合为40 M吨碳酸锂，接近全球资源储量58M吨）。 Adv. Energy Mater. 2012, DOI: 10.1002/aenm.201200026 锂资源能满足电动汽车吗？ * 替代电池体系？ 资源丰富，价格低廉，环境友好。 元素 储量（丰度wt %） 电极电势/V 比容量/mAh?g-1 Li 0.0065 -3.02 3880 Na 2.74 -2.71 1165 Ca 3.45 -2.87 1340 Mg 2.00 -2.34 2230 电化学方面与锂相近的元素有Na、Ca、Mg、Al; 能否构建二次钠电池，钙电池，镁电池, 铝电池？ Na 替代 Li 的优点： 资源用之不竭；环境更加友好； 价格显著降低（钠盐价格通常为锂盐1/10). * 二. 钠离子电池的技术难点之一 钠离子的离子半径（r = 0.113 nm）较锂离子（r = 0.076nm) 至少大35%以上，由此而引起： 1.在刚性晶格中想对稳定，难于可逆嵌脱； 2. 即使能够实现可疑嵌脱，动力学速度很慢。 -Li+ * 发展钠离子电池技术的难点在于材料，更难的是不知道如何去找材料。 1.缺乏理论指导； 2.缺乏具有示范意义的材料体系。 简单地说，没思路、没方法、没样板 主要工作是借鉴锂离子电池的材料，移植到