中國粉體網(wǎng)訊  因鈉元素在地球上的豐富儲備，鈉離子電池是目前鋰離子電池最有前途的補(bǔ)充，作為一種新興的低成本儲能技術(shù)，在大規(guī)模電化學(xué)儲能中具有較好的應(yīng)用前景。

由于碳材料的原料豐富、成本低廉、具有低的電化學(xué)電位，通常是電池負(fù)極材料的首選。其中，石墨具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性和相對較高的比容量被廣泛用于商業(yè)鋰離子電池。但是由于熱力學(xué)的限制，鈉與石墨的層間化合物不存在，將石墨作為鈉離子電池的負(fù)極幾乎不顯示儲鈉活性，這導(dǎo)致容量的極大損失。

硬碳是一種結(jié)合了非晶/短石墨疇的無序材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)，在存儲過程中有利于鈉離子快速傳輸和緩解體積膨脹。加上其資源豐富、價格低廉、電化學(xué)性能優(yōu)異而受到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是最適合鈉離子存儲的材料。

由于較大鈉離子很難進(jìn)入石墨層間結(jié)構(gòu)，造成了硬碳的鈉儲存行為與儲鋰行為的不同。目前，人們對硬碳材料的鈉存儲機(jī)理看法不一。根據(jù)硬碳材料微結(jié)構(gòu)的不同，研究者們近年來也提出了符合自身實驗現(xiàn)象的不同的Na+存儲機(jī)制，包括“插層-填孔”、“吸附-插層”、“吸附-填孔”、“吸附-插層/填孔”等。

硬碳材料儲鈉機(jī)理模型：（a）插層-填孔機(jī)理模型；（b）吸附-插層機(jī)理模型；（c）吸附-填充機(jī)理模型；（d）吸附-插層-填孔機(jī)理模型

綜合來看，硬碳材料中的儲鈉行為主要包括：（1）表面、缺陷位點和官能團(tuán)的吸附；（2）微孔填充；（3）石墨化碳層的插層。另外，常規(guī)硬碳的電化學(xué)充放電曲線一般分為兩個部分：平臺區(qū)（0.1V以下）和斜坡區(qū)（0.1V以上）。目前的爭議主要集中在平臺和斜坡區(qū)域所分別對應(yīng)儲鈉機(jī)理的認(rèn)識。先進(jìn)的表征手段將加深對反應(yīng)機(jī)理的理解并提供更多的信息，可進(jìn)一步揭示鈉儲存的機(jī)制。可以預(yù)見，隨著先進(jìn)測量技術(shù)的發(fā)展，儲鈉機(jī)理的研究將會取得更多的進(jìn)展。

硬碳材料通常通過固態(tài)有機(jī)前驅(qū)體熱分解得到，其納米結(jié)構(gòu)、微觀形貌、孔徑分布以及缺陷種類都由前驅(qū)體控制，因此分析前驅(qū)體種類對所制備的硬碳材料結(jié)構(gòu)和性能的影響具有重要的意義。

合成聚合物是硬碳前驅(qū)體的重要來源。與天然聚合物相比，合成聚合物能夠從單體種類和聚合方法有效調(diào)控聚合物的主鏈結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)型，其對所制備的硬碳材料儲鈉特性有著積極的意義。因此，不同種類的合成聚合物已經(jīng)被廣泛地用于制備鈉離子電池硬碳負(fù)極的前驅(qū)體。

盡管硬碳負(fù)極有許多應(yīng)用潛力，但如何實現(xiàn)高鈉存儲容量、優(yōu)異的倍率性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性仍然是一個挑戰(zhàn)。微觀物理結(jié)構(gòu)和形貌對于提高硬碳的儲鈉倍率容量有很大影響。

針對各類負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于10月25-26日在東莞舉辦“第二屆先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇“。我們有幸邀請到廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院的孫志鵬副院長，屆時他將帶來題為《高性能聚合物衍生硬碳的制備及其儲鈉性能研究》的報告。

本工作分別通過高分子聚合物酚醛樹脂等為前驅(qū)體，采用簡單的化學(xué)聚合和高溫?zé)峤饧夹g(shù)，制備了一系列結(jié)構(gòu)可調(diào)的硬碳材料。鈉離子半電池測試表明，硬碳具有較高的儲鈉容量，優(yōu)良的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。動力學(xué)分析表明，硬碳優(yōu)異的儲鈉性能來源于其超高的贗電容貢獻(xiàn)和快速的電子和離子傳輸。通過非原位XRD/拉曼等測試證實了其儲鈉機(jī)理。此外，當(dāng)與Na3V2(PO4)2F3組裝成全電池時，研究發(fā)現(xiàn)該全電池可以提供優(yōu)越的可逆循環(huán)性，長循環(huán)后仍能保持較高的容量。

孫志鵬教授，國家海外高層次引進(jìn)人才，現(xiàn)任廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院副院長，博士生導(dǎo)師，廣東省重大人才工程團(tuán)隊核心成員，江蘇省“雙創(chuàng)人才”（創(chuàng)新類）�，F(xiàn)從事有關(guān)新能源存儲與轉(zhuǎn)換器件（包括：鋰/鈉/鋅離子電池、超級電容器、燃料電池等），介孔功能復(fù)合材料和傳感器等研究。迄今為止，共發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文90余篇，出版中文論著1部，授權(quán)國家發(fā)明專利8件。先后主持國家自然科學(xué)基金、國家質(zhì)檢總局科研基金、留學(xué)回國人員啟動基金、廣東省科技廳國際合作基金、企業(yè)橫向等20項。此外，長期參與科技部國際合作項目、教育部重大人才項目、廣東省科技廳/浙江省科技廳/新疆科技廳等項目評審工作，擔(dān)任Adv. Mater., Small, Appl. Catal. B-Environ., 等10多個核心期刊的評審人。

參考來源：

1.李瑀、付浩宇、封偉 合成聚合物衍生硬碳在鈉離子電池中的研究進(jìn)展

2.粉體網(wǎng) 鈉離子電池硬碳負(fù)極材料研究進(jìn)展

3.蔡旭萍、張帥國等 鈉離子電池碳基負(fù)極材料研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）

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