中國儲能網(wǎng)訊：大規(guī)模儲能技術(shù)是大力發(fā)展太陽能、風能等可再生能源利用和智能電網(wǎng)的關鍵。與其它儲能方式相比，電化學儲能能夠適應不同的電網(wǎng)功能需要，在風電、光電等的集成并網(wǎng)方面尤其具有優(yōu)勢。因此，各發(fā)達國家均高度重視電化學儲能系統(tǒng)的開發(fā)和利用。大規(guī)模電化學儲能技術(shù)目前存在多種技術(shù)路線，其中鋰離子電池以其高能量密度、高功率密度、長循環(huán)壽命等特點成為重要技術(shù)路線之一。然而，隨著鋰離子電池逐漸應用于電動汽車，鋰的需求量將大大增加，而鋰的儲量是有限的，且分布不均勻，這對于發(fā)展大規(guī)模儲能的長壽命儲能電池來說，可能會成為一個重要問題。基于此背景，我們迫切需要開發(fā)新型的長壽命儲能器件。由于鈉在地殼中有豐富的儲量，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性質(zhì)和儲存機制，因此發(fā)展針對于大規(guī)模儲能應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注。
目前已報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展來看，發(fā)展室溫鈉離子儲能電池最大的挑戰(zhàn)是沒有合適的負極材料。在眾多負極材料中，硬碳材料顯示了比較好的綜合性能，可逆容量達到200 mAh/g，首周庫侖效率80%以上，循環(huán)也很穩(wěn)定，但是硬碳儲鈉電位接近0 V，在快速充電過程中，可能會導致鈉在硬碳表面的沉積和鈉枝晶的生長，從而帶來安全隱患，需要研發(fā)新型安全的高電壓（相對于鈉的沉積電位要高）負極材料。
有機材料具有豐富的化學組成，寬的電位范圍可調(diào)，可以實現(xiàn)多電子轉(zhuǎn)移，而且原料可以從自然界生物質(zhì)中得到，來源豐富，材料可循環(huán)降解，對環(huán)境無害，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)模儲能電池，因此研發(fā)低成本、環(huán)境友好的有機電極材料更具有其必要性。最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的清潔能源實驗室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材料——對二苯甲酸二鈉（Na2C8H4O4）作為鈉離子電池負極材料，該材料具有約250 mAh/g的可逆儲鈉容量，平均脫嵌鈉電位0.43 V, 且循環(huán)穩(wěn)定，是一種有前途的負極材料。由于該材料導電性較差，使用時需要混合大量的導電添加劑，導致其首周庫侖效率較低。我們進一步利用原子層沉積技術(shù)（ALD）對其電極表面進行幾個納米的Al2O3包覆，部分抑制了SEI膜的生長，提高了其首周庫侖效率、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 有機負極材料對苯二甲酸二鈉（Na2C8H4O4）的分子式及儲鈉機制。苯環(huán)上連的兩個羧基中的羰基可以和兩個鈉離子結(jié)合和分開，實現(xiàn)鈉離子的可逆嵌入和脫出，對應255 mAh/g的理論比容量。
圖 2 Na2C8H4O4/KB前10周典型充放電曲線（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（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儲能材料研究創(chuàng)新團隊、科學院知識創(chuàng)新工程能源項目群方向性項目、科學院百人計劃、基金委的大力支持。
