浅析钠离子电池碳基负极材料的研究进展

梁曼

摘 要 钠的储量丰富且分布广泛，且其具有与锂类似的物化性质，钠离子电池具有与锂离子电池类似的储能机理，因此，钠离子电池被认为是下一代最具发展前景的大规模储能电池，其吸引了世界研究者的广泛关注，碳基材料具有来源丰富、价格低廉、热稳定性高、结构可控、电化学活性高等优点，被认为是最有潜力的钠离子电池用负极材料，是目前研究的重点，本文就钠离子电池碳基负极材料的研究进展进行了综述。

关键词 钠离子电池;负极材料;碳;石墨

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优势，是目前大规模应用的储能电池，随着社会经济的快速发展，人们对锂离子电池的需求量快速增加，受到锂资源分布不均匀和成本日益升高的约束，锂离子电池在将来的大规模发展和应用受到制约，需求替代锂离子电池的、能够大规模生产和应用的二次电池是世界研究者关注的重点，钠离子电池具有与锂离子电池类似的储能机理，是近年来研究的热点，而碳基材料具有是最有潜力的候选负极材料，是目前研究的重点，本文就钠离子电池碳基负极材料的研究进展进行了综述。

1碳基负极材料

1.1 石墨基碳

石墨是传统的、较为成熟的锂离子电池负极材料，但由于钠离子半径比锂离子半径大，钠离子在石墨中无法实现有效插层，限制了石墨直接应用于钠离子电池，Kondo[1] 等人采用拉曼光谱、X衍射光谱分析了作为钠离子电池负极材料的石墨的电化学机理，研究表明，通过将电位维持在钠沉积电位以上，只在石墨表面形成低阶钠-石墨插层化合物，而在钠沉积电位下形成高阶钠-石墨插层化合物，此外，利用计时电位法和恒电位间歇滴定法计算了钠离子在石墨中的表观扩散距离和表观扩散系数。结果显示，钠离子插层石墨的限制可能不是由于石墨内部的动力学限制，而是由于热力学限制。虽然石墨本身存在缺陷，但研究者通过不断研究发现，采用对石墨进行改性或者采用醚类电解液能够扩大石墨在钠离子电池中的应用。Wen[2] 等人通过氧化还原法制备了具有较大层间距的膨胀石墨，制备膨胀石墨的具体方法为：首先对石墨进行氧化，然后进行还原处理，最后进行钠离子插层。制备的材料与常规石墨相比，具有更高的可逆能力，具有较高的循环保持率，但初始库伦效率较低。Jache [3]等人将醚类电解液用于钠离子电池，并对石墨嵌钠进行了研究，研究发现，醚类电解液能和钠离子形成钠-溶剂层的溶剂化粒子嵌入石墨层间，Cohn等人将二甲醚基电解液用于钠离子电池并嵌入少层石墨烯，通过原位拉曼验证了溶剂共嵌入的过程，结果显示，溶剂化的表面层有助于钠离子在少层石墨烯层间的快速嵌入和脱出，使得电极材料具有较高的可逆容量以及较好的循环性能。

1.2 软碳

软碳是指高温下可被石墨化的碳材料，通常由热解芳香族化合物或聚合物，如煤沥青、石油沥青等制备得到，其具有比石墨更高的储钠活性，软碳在反应过程中容易发生膨胀，导致极化进而降低电池容量，通常采用杂原子掺杂扩大层与层之间的间距、制备多孔软碳的方式以解决上述存在的问题。Hao等人采用煤油沥青作为软碳前驱体，通过模板法和氨气处理制得了氮掺杂多孔碳纳米片，氮掺杂多孔碳纳米片具有较大的层间距、较高的比表面积、较高的导电性，缩短了钠离子的扩散距离，增强了钠离子存储能力，且展现出优异的电化学性能。董伟等人以石油沥青为原料，在氮气保护下采用高温热解的方法制备了沥青热解炭负极材料。结果表明，沥青热解炭首次放电容量为79.2mAh/g。20次循环以后沥青热解炭容量保持率68.2%，循环伏安分析表明，沥青热解炭在低电位下的不可逆还原峰的出现电位更低。

1.3 硬碳

硬碳是指在很高的温度下也难以被石墨化的碳材料，通常对高温热解有机物、生物质或者聚合物前驱体进行高温热解制备得到，常用的前驱体包括酚醛树脂、香蕉皮、蔗糖、树叶、葡萄糖、聚苯胺等，硬碳具有较大层间距、豐富微孔结构的特点，能够提供更多储钠位点，选择合适的生物质前驱体以制备硬碳材料并应用于钠离子电池中是近年来研究的热点，宋怡楠等人以商品化硬炭作为钠离子电池负极材料，采用X衍射分析、扫描电子显微镜以及氮气吸脱附测试对其结构进行了表征，利用恒电流充放电、循环伏安和阻抗谱技术对电化学性能进行了测试，结果表明，硬炭呈现无序乱层多孔结构，比表面积为2.2 m2/g，层间距远大于石墨负极材料，该硬炭材料对钠离子电池表现出现好的嵌入/脱嵌钠的容量、倍率性能和良好的循环性能。Zhang等人以莲梗为原料，经过碳化、酸洗工艺制备了衍生硬碳材料，并研究了碳化温度对材料性能的影响。研究结果表明，1400 ℃下碳化获得的硬炭具有最佳的储钠性能，具有较高的可逆比容量、较高容量保持率。

2展望

钠离子电池是近年来储能电池技术领域研究的热点之一，由于碳基材料具有碳基材料具有来源丰富、价格低廉、热稳定性高、结构可控、电化学活性高等优点，是目前最具潜力的钠离子电池用负极材料，石墨基碳、软碳和硬碳作为最常用的碳基负极材料，各有优势和劣势，为了提高各类碳基材料的性能以更适用于在钠离子电池中的应用，目前需要对常用的碳基材料进行改性处理，另外，我国是一个生物质较为丰富的国家，发掘出合适的生物质前驱体以制备碳基材料进而实现大规模生产是重要的发展方向。

参考文献

[1] 董伟，杨绍斌，沈丁，等.石油沥青和葡萄糖热解炭的可逆储钠性能研究[J].新型炭材料，2017，32（3）：227-233.

[2] 宋怡楠，马志广，王静，等.硬炭作为钠离子炭负极材料的研究[J].电源技术，2015，39（6）：1158-1161.

[3] Zhang N， Liu Q， Chen W， et al. High capacity hard carbon derived from lotus stem as anode for sodium ion batteries[J]. Journal of Power Sources， 2018（378）： 331-337.