文章信息
全气候铁基钠离子电池用于大规模储能
第一作者：曹永杰
通讯作者：刘瑶*，夏永姚*
单位：复旦大学
研究背景
广泛分布于海洋和陆地中的钠元素，使得钠离子电池相对于锂离子电池具有更大的成本优势，钠离子电池被认为有望应用于规模储能。
然而，众所周知，钠离子电池的性能随着温度的降低而迅速下降。这将大大限制钠离子电池在高海拔地区或是冬季的应用。前期的研究研究表明，除了电解液在低温下较低的离子电导率以外，负极材料与电解液之间的界面特性也是限制钠离子电池低温性能的重要因素。
针对这一问题，该研究团队通过溶胶凝胶法制备了具有纳米结构的硼酸铁（Fe3BO5）钠离子电池负极材料，并通过化学气相沉积在其表面均匀包覆了一层超薄碳层。超薄碳包覆层一方面可以提高材料的电子电导、抑制体积膨胀，重要的是改变了负极材料与电解液之间的界面特性。碳包覆纳米Fe3BO5负极材料在低熔点碳酸丙烯酯 （PC）基电解液中表现出良好的电化学性能。
此外，该负极材料与混合焦磷酸铁钠（Na3Fe2(PO4)2(P2O7)@rGO）正极组成的全电池在40 - 60 ℃温度范围内可以稳定循环。该研究结果对发展宽温钠离子电池提供一个新的方向。
文章简介
基于此，来自复旦大学的夏永姚教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“All-Climate Iron-Based Sodium-Ion Full Cell for Energy Storage”的研究论文。该文章报道了一种可以在40至60 ℃条件下工作的钠离子电池体系。
图1. 宽温铁基钠离子电池全电池工作原理图。
本文要点
要点一：钠离子电池宽温正负极材料选择
铁基硼酸盐作为钠离子电池负极材料有诸多优势，例如原料来源广泛、成本低廉、环保无毒、理论比容量高、高安全，是一类理想的钠离子电池负极材料。但是基于转化反应的硼酸铁负极材料在循环过程中体积膨胀严重导致循环寿命短，电子电导较差限制了其倍率性能。
针对这些挑战，通过纳米化和碳包覆的策略，成功提升了硼酸铁负极材料的电化学性能。此外，由于超薄碳层改变了电极材料与电解液之间的界面特性以及纳米尺寸效应，硼酸铁负极材料表现出良好的低温性能。与低温性能良好的铁基磷酸盐正极材料匹配组装成全电池，该电池在40 ℃容量能够保持常温容量的50%，优于绝大数目前报道的其它钠离子电池体系。
要点二：钠离子电池电解液体系选择
电池在低温下工作不仅受限于电极材料，电解液的性质对电化学性能的影响也至关重要。碳酸乙烯酯（EC）基电解液因为能够在石墨负极表面形成稳定的固体电解质（SEI）膜来保持材料结构的稳定而被广泛使用。
但是EC溶剂具有相对较高的熔点，常温下为固体，往往使用EC基电解液的电池表现非常差的低温性能。PC溶剂具有较低的熔点，之前有研究表明使用该溶剂可以提升钠离子电池低温性能。但是纯PC溶剂电解液在低温下黏度较大，离子电导率仍需进一步提升。
本研究采用二元溶剂体系（PC+碳酸甲乙酯 EMC）电解液， 该电解液在低温/高温条件下都具有良好的离子电导率。从而保证了该钠离子电池体系在40至60 ℃超宽温度范围内工作。
要点三：展望
但是需要指出的是，该电池体系仍然存在一些挑战，如首次库伦效率低，电解液在低温下离子电导仍需要进一步提升。
此外，电池容量随着温度降低而逐步衰减的原因目前尚不清楚。未来，仍需要优化材料形貌、电解液组成以及调控电极材料与电解液之间的界面来进一步提升该电池的电化学性能。
文章链接
All-Climate Iron-Based Sodium-Ion Full Cell for Energy Storage”
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202102856
原文刊载于【科学材料站】公众号
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