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钠离子电池储能技术应用现状

2019-08-22 09:11
 
  能源作为人类文明进步的物质基础,一直扮演着重要的角色,是人类社会发展必不可少的保障,与水、空气、粮食等共同构成了人类赖以生存的必要条件,直接影响着人类的生活。
 
  能源工业的发展,经过了由薪柴“时代”到煤炭“时代”,再由煤炭“时代”到石油“时代”的两大转变,目前已经开始由石油“时代”向可再生能源“时代”的转变。
 
  从19世纪初期以煤炭为主,到20世纪中期以石油为主,人类大规模利用化石能源已经有200多年了。然而,全球以化石能源为主的能源结构特征,使得距离化石能源枯竭的日子,不再遥远。
 
  以煤炭、石油和天然气为代表的传统的三大化石能源经济载体,在新世纪将会迅速枯竭,且在使用和燃烧过程中,还会导致温室效应,产生大量污染物,污染环境。
 
  因此,降低对化石能源的依赖,改变现有的不合理的能源使用结构,寻求清洁、无污染的新型可再生能源,势在必行。
 
  目前可再生能源主要包括风能、氢能、太阳能、生物能、潮汐能和地热能等,而风能与太阳能,更是当前世界范围内的研究热点。
 
  然而,实现各种可再生能源相互之间的高效转化和储存,当前还比较困难,因此使其难以有效的被利用。
 
  在此情形下,为了实现人类对新型可再生能源的有效利用,就要发展便捷高效的新型储能技术,这也是当前社会研究的热点。
 
  一
 
  目前,锂离子电池作为最高效的二次电池之一,已被广泛的应用于各种电子器件、交通、航天等领域,但随着能源利用的增加,锂元素因储量少、价格高等原因,发展前景较为艰难。
 
  钠与锂的物理化学性质类似,具有储能效果,且因其含量丰富、钠源分布均匀、价格较低等因素,将其应用于大规模的储能技术,具有成本少、效益高等特点。
 
  钠离子电池的正负极材料包括层状过渡金属化合物、聚阴离子型、过渡金属磷酸盐、核壳纳米、金属化合物、硬碳等。
 
  碳作为自然界储量极其丰富的一种元素,廉价易得,作为钠离子电池负极材料获得了诸多的认可。
 
  按照石墨化程度,碳材料可以分为石墨类碳和无定型碳两大类。
 
  归属于无定形碳中的硬碳,表现出了达300mAh/g的储钠比容量,而石墨化程度较高的碳材料由于表面积较大、有序性较强等原因,难以满足商业应用。
 
  因此,在实际研究中以非石墨类硬碳材料为主。
 
  为了进一步提升钠离子电池负极材料的性能,通过离子掺杂或复合的方法对碳材料的亲水性、导电性等进行改善,可以增强碳材料的储能性能。
 
  金属化合物作为钠离子电池负极材料,主要是以二维金属碳化物、氮化物为主,除了具备二维材料的优异特性以外,不仅可以通过吸附、插层的方式储存钠离子,还可以与钠离子结合,通过化学反应产生电容进行储能,进而极大的提升储能效果。
 
  金属化合物由于受限于成本太高,且难以获得,因此目前钠离子电池负极材料仍然以碳材料为主。
 
  层状过渡金属化合物的兴起是在石墨烯发现之后,目前应用于钠离子电池的二维材料主要有钠基层状NaxMO4、NaxCoO4、NaxMnO4、NaxVO4、NaxFeO4等。
 
  聚阴离子型正极材料最早应用于锂离子电池正极,后被借鉴应用于钠离子电池,主要代表材料有NaMnPO4、NaFePO4等橄榄石型晶体。
 
  过渡金属磷酸盐最开始也是被应用于锂离子电池中的一种正极材料,合成工艺较成熟,晶体结构较多。
 
  磷酸盐作为一种三维结构,搭建起来的一种框架结构有利于钠离子的脱嵌和嵌入,进而得到储能性能优异的钠离子电池。
 
  核壳结构材料是近年来才兴起的新型钠离子电池正极材料,这种材料在原有材料的基础上,通过精妙的结构设计,实现了空心结构。
 
  比较常见的核壳结构材料有空心硒化钴纳米立方、Fe-N共参杂核壳钒酸钠纳米球、多孔碳空心氧化锡纳米球等空心结构。
 
  由于其本身的优异特性,再加上独特的空心、多孔结构,使得更多的电化学活性暴漏在电解液当中,同时还会极大的促进电解液的离子迁移率,实现高效储能。
 
  二
 
  全球可再生能源的持续增长,推动了储能技术的发展。
 
  目前,根据储能方式的不同,可以分为物理储能和电化学储能。
 
  电化学储能因安全性高、成本低、应用灵活,以及效率高等优点,满足了当今新能源储能技术的发展标准。
 
  按照不同的电化学反应过程,电化学储能电源主要包括超级电容器、铅酸电池、燃料电池、镍氢电池、钠硫电池,以及锂离子电池等。
 
  储能技术中,柔性电极材料由于其设计的多样性、灵活性、低成本,以及环保的特性,吸引了诸多科学家的研究兴趣。
 
  碳材料具有特殊的热化学稳定性、良好的导电率、较高强度,以及非比寻常的机械性能,使其有望成为锂离子电池和钠离子电池的电极。
 
  超级电容器可以在大电流条件下快速充放电,且循环寿命达10万次以上,是一种介于电容和电池之间的新型特殊电化学储能电源。
 
  超级电容器具有高功率密度与高能量转化率等特点,但其能量密度较低,易发生自放电,使用不当时易发生电解液的泄露。
 
  燃料电池虽具有不用充电,容量大,比容量高和比功率范围广等特点,但其运行温度高,成本价格较高,以及能量转换效率低,使其在商业化的过程中只能在某些特定的领域使用。
 
  铅酸电池具有成本低廉,技术成熟,安全性高等优点,且在信号基站,电动自行车、汽车与电网储能等方面已有广泛的应用,但其因能量密度低、体积大、寿命短,以及污染环境等短板,无法满足对储能电池越来越高的要求与标准。
 
  镍氢电池具有通用性强,发热量小,单体容量大,放电特性平稳等特点,但其本身的重量比较大,且电池串联管理的问题较多,易导致单体电池隔板融化。
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