客观日本

东京理科大等开发出超高容量钠离子电池用碳负极材料

2021年01月14日 电子电气

本文根据东京理科大学成果发布编译整理而成

东京理科大学理学部第一部应用化学科的驹场慎一教授(责任作者)、理学研究科化学专业的神山梓(硕士毕业,第一作者)和研究推进机构综合研究院的久保田圭委托副教授,与日本物质材料研究机构(NIMS)能源环境材料研究基地的馆山佳尚组长、NIMS的博士后研究员Youn Yong以及冈山大学研究生院自然科学研究科的后藤和马副教授等人组成的研究团队,成功合成了容量远远高于以往的钠离子电池负极材料的硬碳(难石墨化碳)。有望实现以该材料为负极的高能量钠离子电池。

硬碳在可逆容量(可用容量)、作用电位、循环寿命和资源丰富性方面取得了良好的平衡,是最有潜力的钠离子蓄电池负极材料。研究团队对葡萄糖酸镁(Mg(C6H11O72)和葡萄糖的混合物进行加热,得到了氧化镁(MgO)颗粒并以此为铸模,通过这种合成方法,成功合成了容量远远高于以往的碳负极材料的硬碳。为最大限度提高硬碳的可逆容量,对硬碳的合成条件和电化学特性进行了系统的研究。

具体来说,首先以600℃的温度对混合物进行预处理加热,在生成的碳基体中形成了纳米尺寸的MgO颗粒,之后通过用盐酸进行清洗并以1500℃的温度进行高温热处理,制成了拥有大量纳米级空位的硬碳。利用该材料作为负极的钠电池实现了478mAh/g的超大可逆容量,初次充放电的库仑效率(表示充放电效率的指标之一,可有效提取的放电量与充电所需电量之比)也高达88%。即使与锂离子电池的负极材料石墨的理论容量(372mAh/g)相比,此次开发的MgO铸模硬碳的容量也非常高,假设使用相同容量和电位的正极,与负极使用石墨的锂离子电池相比,使用硬碳的能量密度比要高出19%(图1)。

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图1:锂离子电池负极材料石墨的理论容量(蓝色)与新开发的MgO铸模硬碳的容量(红色)。

采用资源丰富的钠的钠离子电池不使用稀有元素和有毒元素,有望作为蓄电用大型蓄电池使用。与锂离子电池相比,钠离子电池在材料资源方面占优势,但能量密度一直存在课题。通过在负极使用此次合成的高容量和高能量密度硬碳,有望实现高能量密度的钠离子电池。

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图2:此次合成的硬碳与既有负极材料的工作电位、容量和能量密度的比较。

论文信息
题目:MgO-Template Synthesis of Extremely High Capacity Hard Carbon for Na-Ion Battery
期刊:Angewandte Chemie International Edition
DOI:10.1002/anie.202013951

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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