钠离子电池及其电极材料的研究现状

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由于全球锂资源的持续减少，下一代轻便电子设备的电池很有可能是锂离子电池以外的其他电池。其中最有潜力的便是钠离子电池。钠资源由于价格便宜，无毒，同时储量也比锂丰富得多，种种因素使钠离子电池越来越引人注目。87433

由于钠资源的丰富性和价格优势，这使得钠离子电池可以在大型能量存储领域（比如风能和太阳能等可再生能源的存储）发挥无可替代的作用，这些领域往往对电池的重量和能量密度要求不太高，因此与锂离子相比，钠离子电池的优势将显现。

除了价格便宜以外，钠离子电池还具有很多优点。它可以在不损坏电池活性材料的前提下被放电至零电量，而锂离子电池在放电的时候，必须留有30%的电池余量。这使得钠离子电池在运输和存储的时候更加安全，而锂离子电池由于始终留有电荷，所以很容易引起短路，从而引发火灾。另外，钠离子电池拥有良好的电化学性质，比如在充放电的过程中和电池的可逆性方面，都表现出众。

下面简单介绍一下钠离子电池的工作原理：钠离子电池把能量存储在阳极的化学键中。当充电的时候，钠离子从阴极脱出，向阳极迁徙。同时电子在包含充电器的外回路从阴极迁徙到阳极。钠离子电池放电便是一个相反的过程，当回路接通的时候，电子在外回路从阳极跑向阴极，而钠离子也在电池内部跑回阴极。

钠与锂是同一主族的元素，化学性质相似，因此钠离子电池与锂离子电池也拥有很高的相似性，借助前期对锂离子电池的研究成果，使钠离子电池的电极材料研究也取得了长足的进步。然而，许多传统的锂离子电池阳极材料（比如石墨，硅）不能被用在钠离子电池，因为热力学和动力学限制了钠的嵌入和扩散。其它的碳材料（硬碳，多孔碳）以及多孔和层状氧化材料[20-23]，以前被用于锂离子电池的电极材料也被移植到钠离子电池的电极材料上来。但由于钠离子与锂离子之间的差异，当这些原本用于锂离子电池性能优异的电极材料被用于钠离子电池时，情况却很糟糕，能量密度往往很难超过200 mAh/g。因此找到一种能够集高容量，良好稳定结构，快速钠扩散于一身的阳极材料成为了一种迫切需要。石墨烯拥有超高的比表面积和灵活的结构，能够用来做为钠离子电池的电极材料。然而钠离子的结合能相对于钠的粘合能比较微弱，这不利于钠的储存，庆幸的是，通过在石墨烯中引入缺陷可以有效地增加结合能，在高缺陷密度的条件下，钠离子电池的能量密度能够达到1450 mAh/g[24]。最近，剥离技术的成熟，单层黑磷备受关注，并且展现出良好的电化学性质并且拥有极高的载流子迁移率，并且它在锂离子电池方面已取得了应用[17-19]。V。 V。 Kulish课题组研究了单层黑磷对于一系列金属（Li，Na，K，Cu等）的吸附，论证了单层黑磷与碱金属原子的结合能要大于金属原子本身的粘合能，能够被用来储存锂和钠[25]。