钠离子电池的发展史

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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