中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源利用和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。與其它儲(chǔ)能方式相比，電化學(xué)儲(chǔ)能能夠適應(yīng)不同的電網(wǎng)功能需要，在風(fēng)電、光電等的集成并網(wǎng)方面尤其具有優(yōu)勢(shì)。因此，各發(fā)達(dá)國(guó)家均高度重視電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和利用。大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)目前存在多種技術(shù)路線(xiàn)，其中鋰離子電池以其高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命等特點(diǎn)成為重要技術(shù)路線(xiàn)之一。然而，隨著鋰離子電池逐漸應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)，鋰的需求量將大大增加，而鋰的儲(chǔ)量是有限的，且分布不均勻，這對(duì)于發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能的長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能電池來(lái)說(shuō)，可能會(huì)成為一個(gè)重要問(wèn)題。基于此背景，我們迫切需要開(kāi)發(fā)新型的長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能器件。由于鈉在地殼中有豐富的儲(chǔ)量，約占2.74%，為第六豐富元素，且分布廣泛；鈉具有和鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)和儲(chǔ)存機(jī)制，因此發(fā)展針對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的室溫鈉離子電池技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義，近些年再次得到世界各研究組的廣泛關(guān)注。
目前已報(bào)道多種很有前途的正極材料，例如碳包覆的具有NASICON結(jié)構(gòu)的Na3V2(PO4)3復(fù)合材料 （Jian Z L, Zhao L, Pan H L, Hu Y S, Li H, Chen W, Chen L Q，Carbon coated Na3V2(PO4)3 as novel electrode material for sodium ion batteries. Electrochem. Commun., 2012 14: 86–89.）。從最近取得的研究進(jìn)展來(lái)看，發(fā)展室溫鈉離子儲(chǔ)能電池最大的挑戰(zhàn)是沒(méi)有合適的負(fù)極材料。在眾多負(fù)極材料中，硬碳材料顯示了比較好的綜合性能，可逆容量達(dá)到200 mAh/g，首周庫(kù)侖效率80%以上，循環(huán)也很穩(wěn)定，但是硬碳儲(chǔ)鈉電位接近0 V，在快速充電過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致鈉在硬碳表面的沉積和鈉枝晶的生長(zhǎng)，從而帶來(lái)安全隱患，需要研發(fā)新型安全的高電壓（相對(duì)于鈉的沉積電位要高）負(fù)極材料。
有機(jī)材料具有豐富的化學(xué)組成，寬的電位范圍可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)多電子轉(zhuǎn)移，而且原料可以從自然界生物質(zhì)中得到，來(lái)源豐富，材料可循環(huán)降解，對(duì)環(huán)境無(wú)害，作為電極材料引起了研究者的極大興趣。鈉離子電池的定位就是用于大規(guī)模儲(chǔ)能電池，因此研發(fā)低成本、環(huán)境友好的有機(jī)電極材料更具有其必要性。最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）的清潔能源實(shí)驗(yàn)室E01組博士生趙亮與胡勇勝研究員等提出了一種新型成本低廉的有機(jī)材料——對(duì)二苯甲酸二鈉（Na2C8H4O4）作為鈉離子電池負(fù)極材料，該材料具有約250 mAh/g的可逆儲(chǔ)鈉容量，平均脫嵌鈉電位0.43 V, 且循環(huán)穩(wěn)定，是一種有前途的負(fù)極材料。由于該材料導(dǎo)電性較差，使用時(shí)需要混合大量的導(dǎo)電添加劑，導(dǎo)致其首周庫(kù)侖效率較低。我們進(jìn)一步利用原子層沉積技術(shù)（ALD）對(duì)其電極表面進(jìn)行幾個(gè)納米的Al2O3包覆，部分抑制了SEI膜的生長(zhǎng)，提高了其首周庫(kù)侖效率、倍率性能和循環(huán)性能。該工作發(fā)表在Adv. Energy Mater. , 2, 962-965, 2012.上。
圖 1 有機(jī)負(fù)極材料對(duì)苯二甲酸二鈉（Na2C8H4O4）的分子式及儲(chǔ)鈉機(jī)制。苯環(huán)上連的兩個(gè)羧基中的羰基可以和兩個(gè)鈉離子結(jié)合和分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)鈉離子的可逆嵌入和脫出，對(duì)應(yīng)255 mAh/g的理論比容量。
圖 2 Na2C8H4O4/KB前10周典型充放電曲線(xiàn)（倍率0.1C）
圖 3 Na2C8H4O4/KB未包覆的初始電極、ALD20電極（約2 nm Al2O3 包覆）、ALD50（約5 nm Al2O3包覆）電極不同充放電倍率下的放電曲線(xiàn)（a-c）以及0.1C倍率下的循環(huán)性能（d）。
上述工作得到了科技部?jī)?chǔ)能材料研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程能源項(xiàng)目群方向性項(xiàng)目、科學(xué)院百人計(jì)劃、基金委的大力支持。
文章鏈接：
1.“Disodium Terephthalate (Na2C8H4O4) as High Performance Anode Material for Low-Cost Room-Temperature Sodium-Ion Battery”
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201200166/pdf
