东京理科大学于2023年11月13日宣布，与日本国立材料科学研究所（NIMS）合作，成功合成了一种硬碳负极，可以提高钠离子电池和其他设备的能量密度。

具有原料资源优势的钠离子电池(SIBs)同样也有成为大规模电化学储能设备的潜力，因此受到广泛研究，产业化进程不断加快。

研究背景

近年来，具有原料资源优势的SIBs作为下一代电池而受到关注，目前它的商业化应用主要依赖于高性能正、负极材料的开发。但与锂离子电池相比，SIBs中钠的原子量较大，因此正极容量较小，Na⁺/Na电位比Li⁺/Li电位高0.2~0.3V ，导致电压下降。为了增加电池容量，科学家开始开发高容量负极材料。

研究进展

研究表明，LIBs的理想负极材料石墨并不适用于SIBs。相比之下，作为碳基材料的一种，具有扩展碳层间距的硬炭(HC)被认为是目前最成熟且最可能商业化的SIBs负极。硬碳通过在其内部堆叠石墨烯并允许钠离子利用它们之间的间隙中产生的微孔自由进出而发挥负电极的作用。为了提高硬碳的容量，需要优化这种孔隙结构。

东京理科大学及其同事此前报道称，他们已经使用MgO作为模板合成了高容量硬碳。这项研究是对此的延伸。使用含有Zn和Ca的盐作为起始材料进行模板合成，其性能与Mg相似。对于每种物质，通过系统地改变葡萄糖、葡萄糖酸盐和乙酸盐的组成比例来合成和优化硬碳。

结果表明，以ZnO为模板，以葡萄糖酸锌和醋酸锌的组成比为75:25为原料合成硬碳时，最高可逆容量为464 mAh/g，初始库仑效率为91.7%，表现出了优异的性能——当使用该负极材料制造钠离子电池并进行测量时，结果表明其表现出312Wh/kg的极高能量密度，可与锂离子电池相媲美。此外，钾离子电池也表现出381mAh/g的高能量密度。

据悉，这项研究可应用于制备具有高能量密度的钠离子和钾离子电池，并有望实现不使用稀有元素的下一代电池。

粉体圈Coco编译