日本发现可为钠离子电池生产新型碳基材料

高成本效益的可充电电池几乎是所有便携式电子设备的核心部件，而此类电子设备在现代日常生活中随处可见。此外，可充电电池还是电动汽车以及可再生能源系统的必备部件，也是各种医疗设备的支持者，并且作为电子传感器和摄像头的能源，促进了各领域的研发工作。因此，很多人都在投入大量的精力研发更好、更便宜的可充电电池。

硬碳电极材料容量更高意味着，与锂离子电池相比，钠离子电池的重量能量密度增加了 19% （图片来源：日本理科大学）

截至目前，可充电电池因在容量、稳定性、价格和充电时间等方面拥有良好的性能，一直是市场中的首选电源。不过，锂以及钴和铜等稀有且昂贵的金属并不是地壳中储量最丰富的材料，对此类材料需求的不断增长也很快在全球范围内导致了供应问题。

据外媒报道，日本东京理工大学（Tokyo University of Science）的Shinichi Komaba教授与同事一直致力于找到解决方案，寻求利用储量丰富的替代材料研发可充电电池，从而解决这一日益恶化的难题。

最近，该团队发现了一种高效的方法，可为钠离子电池生产新型碳基材料。该团队以氧化镁（MgO）作为硬碳（hard carbon）内部纳米孔的无机模板，重点研究了作为可充电电池负极的高孔材料硬碳的合成。

研究人员探索了一种不同的技术混合该氧化镁模板的成分，以精确地调整硬碳电极的纳米结构。在经过多次实验和理论分析之后，研究人员阐明了最佳制造条件和成分，以生产此种容量达 478 mAh/g的硬碳，这也是此种材料的容量达到了有史以来的最高水平。

Komaba教授表示：“截至目前，用于钠离子电池的碳基负极电极的容量一般约为300至350 mAh/g，虽然曾经有报道表示可达到438 mAh/g，但是必须在1900℃以上的高温下进行热处理才可实现。相比之下，我们采用的热处理温度只为1500°C，相对较低。”温度越低，能耗也就越低，成本也越低，对环境造成的影响也会越小。

新研发出的硬碳电极材料的容量十分惊人，甚至超越了锂离子电池常用负极电极材料——石墨（372 mAh/g）的容量。此外，尽管配备了此种硬碳负电极的钠离子电池的运行电压理论上为0.3V，低于标准锂离子电池，但是容量更高会实现更大的重量能量密度（1600 Wh/kg与1430 Wh/kg），即能量密度提升了19%。

未来，研究人员还需要进一步研究以验证该材料应用于真正的钠离子电池时，是否具有优越的收入、能量输入输出功能以及低温运行功能。如果够幸运，可能会见证到下一代可充电电池的诞生。
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