科学家发现钠离子电池阳极的储能机制

来自斯科尔科沃科学和技术学院(Skoltech)和莫斯科国立大学(MSU)的科学家们确定了与钠离子电池(SIB)阳极材料中的电荷存储相关的电化学反应类型，这是一类很有前途的新型电化学电源。他们的研究结果以及该团队开发的阳极制造方法将有助于使SIB在俄罗斯及其他地区的商业化进程更加接近。该研究发表在《Electrochimica Acta》上。

如今，锂离子电池(LIB)是最受欢迎的电化学电源，被广泛应用于从手机(几瓦时)到发电厂的缓冲系统(数百万瓦时)的各种领域。对锂离子电池的需求和存储设备的平均尺寸都在不断增长，然而这种增长趋势却遇到了多重障碍，如锂盐的高成本、全球锂储量有限以及各国含锂矿床分布不均等。为了克服这些障碍，包括俄罗斯在内的全球科学家都在研究SIB，这种替代技术可能会挑战LIB和广泛使用的铅酸电池。

钠是地壳中第六大常见元素。与锂相比，其盐类的价格要便宜100倍左右。虽然在化学性质上与锂相似，但钠还有其他的区别，这就需要在SIB设计中采用新的方法。电池由三个主要部分组成：阴极、阳极和电解质。阴极或电解质的成分和结构有广泛的多样性，而阳极仍然是一个绊脚石。成功用于LIB的石墨不能用于SIB，因为碳六边形和钠阳离子的尺寸相差太大，无法提供夹层。硬碳似乎是唯一可以真正用于阳极的材料。由扭曲的石墨状层的不规则排列形成的硬碳表现出与LIB中的石墨相当的钠离子存储性能，然而仍然不清楚为什么以及如何发生这种情况。

"关于钠如何被引入硬碳中，有几种假说。在我们的研究中，我们验证并稍微扩展了其中的一个假设。我们发现，硬碳表现出夹层型行为，以积累大部分电荷，这是个好消息。夹层正是电池所需要的，而与 "假电容 "相关的表面过程则是超级电容器的责任，它在化学电源中形成了一个非常狭窄的发展空间。有趣的是，我们的日本同事，也是我们的主要研究者和MSU博士生的研究导师Zoya Bobyleva一开始就持有完全不同的观点。他是世界上SIB和硬碳领域的顶级专家之一，我们很难说服他我们是对的，但我们做到了!"Skoltech能源科技中心(CEST)和MSU的项目负责人和高级研究科学家Oleg Drozhzhin说。

去年，诺贝尔化学奖授予了三位 "开发锂离子电池 "的科学家。其中一位获奖者要归功于硬碳，这种负极材料在大约三十年前给锂离子电池技术带来了生命，后来被石墨取代。现在，硬碳可以再次催生一项新技术。

"这项工作非常了不起，不仅展示了硬碳在钠离子体系中的工作原理，而且找到了一种方法，可以生产出与LIB中石墨容量相当的超过300mAh/g的硬碳。创建和优化一种新的方法需要付出很多艰辛的努力，而这些努力通常都停留在幕后，几乎没有在科学论文中报道过，所以对我们来说，展示最终的成果很重要：我们成功地制造出了好的SIB阳极材料，我们知道它们是如何工作的。"MSU化学学院电化学系主任、Skoltech教授Evgeny Antipov评论道。