物理所在水系钠离子电池研究中取得进展
- 2019/12/21 10:23:54 23547
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表研发】水系钠离子电池兼具钠资源储量丰富和水系电解液本质安全的双重优势，被视为一种理想的大规模静态储能技术。此前，研究人员针对水系钠离子电池体系做了一些探索。目前水系钠离子电池主要受到水系电解液电压窗口窄(小于2 V)的制约，进而限制了水系钠离子电池的输出电压、能量密度和循环寿命等关键电化学性能指标提升，因此如何开发出宽电压窗口水系电解液是实现高性能的水系钠离子电池关键核心技术。
钠离子电池(Sodium-ion battery)，是一种二次电池(充电电池)，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。其工作原理是在充放电过程中，Na+在两个电极之间往返嵌入和脱出：充电时，Na+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反。新款18650钠离子电池，借助了钠离子转移(而不是锂离子)来存储和释放电能。
与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：(1)钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；(2)由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右)降低成本；(3)钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；(4)由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室E01组博士生蒋礼威在研究员胡勇胜、副研究员索鎏敏的指导下，通过将三氟甲基磺酸四乙基铵(TEAOTF)盐和三氟甲基磺酸钠(NaOTF)盐共同溶于水中，设计了一种新型的含惰性阳离子的超高盐浓度Water-in-Salt电解液(9 m NaOTF + 22 m TEAOTF)。该电解液不仅能实现较宽的电压窗口(~3.3 V)，而且还可以有效抑制电极材料在循环过程的溶解，而且由于TEA+阳离子半径较大(计算值为3.6埃)而不会嵌入正负极材料，避免了混合阳离子电解液普遍存在的阳离子共嵌入问题。
此外，拉曼光谱和核磁共振谱表明该类新型超高盐浓度电解液中TEA+和OTF-阴阳离子相互作用很弱，从而使得其即使是在31 m超高盐浓度下也具有相对低的粘度和较高的电导率。
拉曼光谱(Raman spectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR )NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。
分子动力学模拟进一步揭示了两种溶液中阴阳离子配位不同：Na+离子与OTF-中的一个氧原子配位，而TEA+离子则与OTF-中的两个氧原子配位。采用该电解液组装的Na1.88Mn(Fe(CN)6)0.97·1.35H2O(NaMnHCF)//NaTiOPO4全电池无论在低倍率(0.25C)还是高倍率条件下(1C)均表现出优异的电化学性能(0.25C, 200周，90% 保持率；1C，800周，76% 保持率)。
资料来源：百科、物理研究所
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