钠离子电池的储能机制与性能提升策略

钠离子电池因丰富的原材料储量、低廉可控的成本和生产线转换优势而在储能方面有广阔前景。钠离子电池通过电能和化学能的相互转化完成充放电,电池单体的材料性能和制备技术需符合储能发展要求。目前,开发高能量密度、低成本、高安全性为一体的储能系统是新型储能建设重点。本文从钠离子电池储能机制入手,分析钠离子电池的正极、负极、电解质、隔膜等部件的作用机理,整理前沿相关研究和应用进展,提出电池储能性能提升方法,旨在优化钠离子电池储能应用的技术路线,积累电化学储能领域的全新经验。

生物质黏结剂在锂/钠离子电池中的研究进展

生物质材料是由生命体衍生得到的材料,具有可再生、可降解的特征,而且其结构中富含多种活性基团,能与电极活性材料产生氢键、离子-偶极和化学键等强相互作用。传统的油溶性黏结剂因活性基团缺乏、使用有机溶剂等特点,不利于电池综合性能和绿色发展,而采用生物质黏结剂是一种实现高循环性能、抗容量衰减的有效手段之一。该文综述了生物质黏结剂的分类及特点、与活性材料之间的作用机理,重点介绍和总结了生物质黏结剂在锂离子电池和钠离子电池中的应用,并展望生物质黏结剂在电化学领域的发展方向。未来的研究仍应集中于对天然生物质进行改性,使其兼具良好的黏附性、分散性、导电性和自愈性,以便更好地利用生物质材料的结构特性和功能特性。

基于特征选择的LightGBM算法预测钠离子电池剩余寿命

钠离子电池剩余使用寿命(RUL)的准确预测对于可再生能源系统中的大规模储能设备具有重要意义.提出了一种基于特征选择的LightGBM方法来预测钠离子电池的剩余使用寿命.通过结合Pearson相关系数和灰色关联度,选择了四个与电池寿命高度相关且不同特征之间自相关程度较低的最佳特征.采用LightGBM模型,并结合网格搜索(GridSearchCV)算法对其超参数进行优化,以达到最佳的预测性能.通过钠离子电池数据验证了预测模型的优越性,并与使用GridSearchCV算法的GBRD和RF模型在相同条件下进行比较.结果表明,该方法能够显著加快模型运算速度,并相比传统算法具有更高的可靠性和更好的预测性能,预测的最大MAE、MSE、RMSE分别不超过3.0、17.7、4.2.

钠离子电池用生物质基硬碳的研究进展

生物质基硬碳具有原材料资源丰富、可持续、成本低和储钠容量高等特点,是钠离子电池的理想负极材料。生物质基硬碳材料的微结构是决定钠离子存储性能的关键。本综述回顾了硬碳负极对钠离子存储机理的研究现状。从生物质原料的角度,分类总结了高性能生物质基硬碳材料的制备方法。探讨了生物质基硬碳结构的调控与钠离子存储性能提升的关系,对钠离子电池用生物质基硬碳负极材料的研究方向进行了展望。

数据驱动的钠离子电池健康状态评估方法研究

钠离子电池健康状态估计是其安全高效应用的基础,也是钠电池规模化储能应用的关键。然而,钠离子电池即用即衰,衰退机理不明晰,老化过程受工况和场景影响,准确的健康状态估计极其困难。为此,提出了数据驱动的钠离子电池健康状态估计方法,探究了钠离子电池的充电数据与容量衰退的映射关系,提出了结合方差筛选、灰色关联分析和递归特征消除的特征选择方法,应用多元线性回归、支持向量机、高斯过程回归和误差反向传播神经网络4类机器学习方法估计钠离子电池的健康状态。验证结果表明,4类方法的健康状态估计均方根误差小于1.6%,其中高斯过程回归的误差小于0.8%,实现了钠离子电池健康状态精准估计。

钠离子电池用O3型层状金属氧化物研究进展

O3型层状金属氧化物具有理论容量高、制备简单等优势,是有前景实现商业化应用的钠离子电池正极材料之一。固有的缺点严重限制了层状金属氧化物正极的商业化进程,迫切需要解决。系统总结不可逆相变、表面侵蚀、产气等问题,分析比较固相法、共沉淀法和溶胶凝胶法等3种常用合成方法的优缺点,对O3型层状金属氧化物相关改性策略进行归纳,包括元素掺杂、表面包覆、混相设计和高熵设计等。

哌啶基离子液体在钠离子电池中的高温性能研究

传统碳酸酯类电解液与钠离子电池硬碳负极相容性较差,选择合适的电解液添加剂是提升硬碳电极电化学性能行之有效的方法。研究合成了含烯丁基的哌啶离子液体(pp14),并以不同比例添加至基础电解液中,探究哌啶基离子液体在高温下对硬碳负极电化学性能的影响。结果表明,含15%体积比的pp14电解液可以有效提升HC电极的高温电化学稳定性及倍率性能,其优异的电化学性能归因于循环时形成了稳定的固体电解质界面(SEI)。

提高硬碳材料钠离子电池首次库仑效率的研究进展

钠离子电池(SIBs),得益于钠资源的高丰度、分布均匀、较低的成本、优异的低温性能和快充特性等优势,被认为是潜力巨大的大规模储能技术。SIBs的电化学性能很大程度上由电极材料决定,在负极材料中,硬碳(HC)材料由于具有较低的氧化/还原电势、合适的比容量、对环境友好、制造方法简单以及来源广泛等优势,被认为是目前最为理想的SIBs负极材料。然而,HC作为负极材料的SIBs首次库仑效率(ICE)的不足导致在全电池中阴极的钠被过度消耗,因而严重限制了HC在SIBs的实际应用。因此,结合导致硬碳材料ICE较低的关键科学问题,本文总结、分析了提高SIBs硬碳负极材料ICE的研究进展,包括调节热解温度、减少缺陷、孔隙调控以及金属原子催化调控碳层这4种方式。并简要介绍了硬碳材料的碳层间距、缺陷以及孔隙这3个基本结构,以及不同的结构影响钠离子储存行为的最新研究进展,论述了不同类型HC负极材料的设计思路及其商业化进展,最后分析探讨了SIBs硬碳负极材料的发展方向。

煤基硬炭在钠离子电池负极材料中的应用研究进展

煤炭是全球储量最丰富、分布最广泛且使用最经济的能源之一。在可预见的未来,煤炭仍将是世界主要能源。在“双碳”背景下,探索煤炭资源的高效清洁利用是一项重要而紧迫的工作。本文简述了硬炭在钠离子电池中的存储机理,分析了以4种不同变质程度的煤作为前驱体调控硬炭结构的方式和电化学性能的差异,总结了煤基硬炭材料在钠离子电池应用中存在的共性问题,指出了目前煤基硬炭的研究重点和改进方向。研究成果可为煤基硬炭原料选择、结构调控、缺陷设计等提供参考。

钠离子电池用层状氧化物空气稳定性研究进展

层状过渡金属氧化物具有比容量高、成本低等优点,是理想的钠离子电池正极材料。较差的空气稳定性阻碍了层状过渡金属氧化物的实际生产与应用。总结层状氧化物空气稳定性的研究进展,包括在空气中失效的影响因素和相关机理等,并归纳成分调控、结构设计和表面改性等可改善空气稳定性的方法。展望未来提高材料空气稳定性的研究方向。

高倍率和长循环稳定性钠离子电池正极材料Na_(0.85)Ni_(0.3)Fe_(0.2)Mn_(0.5)O_(1.95)F_(0.05)@CuO的性能研究

传统钠离子电池铁锰基正极材料具有价格低廉、理论比容量和工作电压高的优势,受到了广泛和深入的研究,但是铁锰基层状氧化物在充放电时晶体结构会发生不可逆相变,容量和循环稳定性会迅速衰退,不利于大规模应用和发展。针对这种问题,本工作采用阴离子F^(-)掺杂和金属氧化物CuO包覆制备出P2/O3混合相Na_(0.85)Ni_(0.3)Fe_(0.2)Mn_(0.5)O_(1.95)F_(0.05)@CuO铁锰基正极材料,并分析了不同包覆温度下材料的电化学性能。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能量分散谱(EDS)显示CuO对材料表面实现了致密均匀包覆,非原位X射线衍射分析(ex-situ XRD)结果表明材料在充放电过程中未出现不可逆相变,晶体结构保持良好。Na_(0.85)Ni_(0.3)Fe_(0.2)Mn_(0.5)O_(1.95)F_(0.05)@CuO-800材料在2.0~4.2 V时首次放电容量为122.7 mAh/g,100圈循环后容量保持率为72.62%;在5C和10C大倍率充放电电流密度下经过200圈和800圈循环后放电比容量仍达到75 mAh/g和60 mAh/g,容量保持率为82%以上。结果表明F^(-)掺杂形成的强TM—F键以及均匀致密包覆的CuO层保持了材料晶体结构的稳定性,抑制了不可逆O2相的产生,减少了电极材料与电解质之间副反应的发生,避免了因过渡金属离子的溶解造成正极材料剥落。本工作显著提升了材料在高倍率下的长循环性能,为高倍率和长循环稳定性的铁锰基正极材料设计提供了依据。

普鲁士蓝类钠离子电池正极材料导电性研究进展

发展具有快充性能(即超高倍率性能)的钠离子电池是目前储能领域研究的重点和热点。普鲁士蓝及其类似物(PBAs)具有有利于钠离子储存和扩散的开放式三维骨架结构,已经被证明作为钠离子电池正极材料具有巨大的潜力。然而,目前所制备的PBAs大多数存在结构缺陷和结晶水,以及其本身较差的电子电导率,导致其倍率性能不理想。本文针对PBAs导电性差的问题,从离子导电和电子导电两个方面进行讨论,首先分析了PBAs中结构缺陷以及结晶水的存在对离子导电的影响以及其本身价键结构对电子电导的影响。综述了近期对于提高PBAs导电性的相关研究:①改变晶体结构,通过减少PBAs晶体内部缺陷及结晶水,从而降低钠离子迁移距离及减少阻碍;②设计特殊的PBAs晶体结构,能有效减少钠离子传输路径;③采用复合导电材料,能构建新的电子运输途径。最后对提高PBAs导电性的三种策略进行了总结和展望,指出应该在优化PBAs结构的基础上,复合导电材料,同时增强离子电导和电子电导,以期达到最佳的倍率性能。

钠离子电池层状正极材料的相变研究进展

近年来,随着锂离子电池的大规模商业化应用,锂资源储量短缺和价格上涨的问题引起了广泛关注。钠离子电池因其钠储量丰富、能量密度可观、成本低廉等优势,在未来大规模储能装置的应用中前景广阔。正极材料是影响钠离子电池性能的关键因素,其中层状氧化物正极材料因具有高比容量、高工作电压、环境友好等优点而备受青睐。然而由于其脱嵌钠过程中易发生有害的相变导致电池的循环性能欠佳,制约着钠离子电池规模化应用于储能体系。因此,文章介绍了层状氧化物正极材料的结构分类,概述了材料在钠脱嵌时发生的相变历程,揭示层状氧化物正极材料相变机理及其对电化学性能的影响,最后提出了可以抑制相变的改性策略,并对层状氧化物正极材料的应用前景进行了展望。

Cu掺杂P2型Na_(0.67)Ni_(0.33)Mn_(0.67)O_(2)钠离子电池正极材料的制备与性能

通过溶胶-凝胶法制备了一系列形貌规则、表面光滑的Cu掺杂层状P2型Na_(0.67)Ni_(0.33-x)Cu_(x)Mn_(0.67)O_(2)(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25)。采用SEM、XRD、EDS、XPS对材料进行了形貌、结构和成分表征。将材料用作钠离子电池正极材料,采用循环伏安法、恒流充放电法研究了其电化学性能,获得了最佳掺杂比例。研究发现,掺杂未改变材料的层状结构和形貌,通过Cu掺杂引入了高电化学活性的Cu^(2+)作为取代基,增加材料的表面活性储钠位点,材料表现出良好的循环稳定性和倍率性能。在2.0~4.3 V的电压范围和0.1 C的倍率下,Cu掺杂比例x=0.15时Na_(0.67)Ni_(0.18)Cu_(0.15)Mn_(0.67)O_(2)的初始放电比容量为126.74 mAh/g,100次循环后容量保持率为79.10%,与未掺杂材料相比提高了50.92%。材料电化学性能的增强可归因于Cu^(2+)插入过渡金属层,由于Cu^(2+)(0.73A)的半径大于Ni^(2+)(0.69A),过渡金属层间距扩大,为Na+扩散提供了通道,进而提高了Na+扩散速率。当充电到高压时可抑制Na+脱/嵌过程中Na^(+)空位的产生,从而稳定材料的晶体结构并抑制材料发生P2-O2相变,提高了材料的循环稳定性。

钠离子电池负极材料的研究进展

可充电锂离子电池在世界范围内广泛应用于电子设备、电动汽车和固定储能等系统,但是,锂资源有限且成本较高,难以满足日益增长的需求,因此,研究开发廉价且性能优异的二次离子电池是当前的研究热门课题之一。钠离子电池和锂离子电池具有相似的工作原理,且钠资源丰富、原材料成本低,有望成为锂离子电池的互补或替代品。钠离子电池负极材料的开发相对滞后,在很大程度上限制了钠离子电池的商业化进程。综述了当前钠离子电池负极材料的研究现状,分析了新型钠离子电池负极材料的优缺点,指出了钠离子电池负极材料的研究方向,并对前景作出了展望。

Bi掺杂O3型NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)钠离子电池层状正极材料的制备与储钠性能

O3型NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)拥有高理论比容量且易于制备,是商业钠离子(Na+)电池的首选正极材料之一,但其循环稳定性仍面临挑战。利用Bi对NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)进行改性。研究发现,Bi的引入可以在晶粒生长过程中通过调节表面能实现晶粒细化,并且Bi的掺杂增加了层状正极材料的晶胞参数,为Na+提供了宽的扩散通道,提高了Na+的扩散能力,优化了Na^(+)在脱嵌过程中的可逆性。改性后的NaNi_(0.495)Mn_(0.5)Bi_(0.005)O_(2)实现了在2.0~4.0 V的电势区间内0.2 C倍率下的可逆容量为138.1 mAh/g,在5 C倍率下循环100圈后容量保持率可以达到97%。

钠离子电池沥青基碳负极材料制备技术研究进展

当前钠离子电池作为新型储能技术在新能源领域被寄予厚望,其中碳负极作为钠离子电池关键组成之一,其材料制备、储钠机制研究和综合性能提升颇具挑战。沥青基前体具有低成本、高碳含量、高碳收率等优势,被认为是合成碳负极的潜在碳源。然而沥青基碳源直接高温热解碳化将产生高石墨化的碳,碳层间距小,致使其储钠容量相对较低。近年来,陆续提出了沥青改性、结构设计、表面修饰、碳复合等策略来解决碳化过程中易石墨化和重排的难题,所得碳负极储钠性能得到显著提升。本综述详细归纳总结了当前以沥青为碳源制备碳负极材料的相关技术研究进展,讨论了沥青衍生钠电碳负极未来面临的问题和研究重点,期望为高性能碳负极材料的制备提供参考。

改善钠离子电池用六氰基铁酸盐循环性能的研究进展

为解决过渡金属六氰基铁酸盐(MHCF)存在的结构稳定性和循环稳定性欠佳的问题,详细阐述了结晶水、缺陷和锰的姜泰勒效应等3个要素对MHCF结构稳定性和循环性能的影响,并综述了近几年从以上3方面出发改善循环性能而提出的一些有效解决方案。

高比能快充型钠离子电池炭负极:进展与挑战

钠离子电池具有优异的快充能力与低温特性,加之钠元素资源丰富、成本低廉的优势,已成为下一代非资源限制型高效储能体系的首选。无定形炭材料作为钠离子电池实用化进程的关键负极材料,具备较高首次库伦效率、低嵌钠平台及稳定性好等优点。然而,目前无定形炭负极存在平台储钠动力学差以及高平台容量与高平台电位无法兼得的问题,导致钠离子电池的快充性能、能量密度以及安全特性难以全面兼顾,严重阻碍了钠离子电池的产业化进程。本文聚焦制约钠离子电池碳负极发展的关键瓶颈,分析了无定形炭平台储钠各基元步骤的动力学行为,从电极-电解液界面和无定形炭微观结构调控两方面梳理了构建高比能快充型钠离子电池的工作进展,并探讨了影响平台储钠动力学与平台电位的关键要素,最后针对钠离子电池碳负极的发展方向与关键挑战进行了简要评述和展望,以期推动实用型钠离子电池碳负极材料的发展。

钠离子电池正极材料专利预警分析

钠离子电池正极材料作为钠离子电池关键材料,对电化学储能具有重要的研究价值。本文首先分析钠离子电池正极材料的全球专利的申请趋势和技术主题,然后重点对过渡金属氧化物、聚阴离子类化合物两大技术分支的专利信息进行梳理和分析,从专利侵权的角度对钠离子电池正极材料专利申请中存在的问题进行预警分析,并从规避知识产权风险、提高自主知识产权的运用和保护等方面给出总结与建议。