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钠电池、铝电池、锂硫电池…这些二次电池家族中的新成员,它们优势都在哪?
2022年11月25日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:49
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谈到二次电池,或许会有些人疑惑这个名称的由来。它其实就是指可再次充电、重复利用的电池,又称充电电池或蓄电池,更准确的概念则是“在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池”。


二次电池与我们的生活息息相关,正因它们的存在,我们的手机、电脑、电动车等诸多设备才能为我们持续提供服务。目前,市场技术的二次电池以锂离子电池技术最为成熟,其循环稳定性及续航性能都已经过市场多年考验。除此以外常用的还有铅酸电池,镍镉电池,镍氢电池,此外高温钠硫电池,锌溴液流电池等常在大型储能体系中应用。

但在日益增长的需求下,人们对锂离子电池的能量密度、功率密度以及成本做出了更高的要求。有些研究者选择针对锂离子电池的正极材料、负极材料等方面进行优化,有些研究者则选择了另开赛道,开发新型二次电池,如钠离子电池、铝离子电池、锂硫电池等,它们对比现下主流的二次电池有什么优势呢?接下来一起看看。

一、钠离子电池

上个世纪80年代起,钠离子电池与锂离子电池的概念几乎同时被提出。钠离子电池的工作原理与锂离子电池也极其相似,在充电过程中,钠离子从正极材料中脱出,经过电解液嵌入到负极材料中,同时电子通过外电路转移到负极以维持电荷平衡;而放电时则完全相反。理论上讲,可以将钠离子电池的充电时间缩短至锂离子电池的1/5。不过,为了适应钠离子电池,正极材料、负极材料和电解液等相对于锂离子电池都要作出相应的改变。

优势:

钠离子电池的优势,简单来说就是:成本更低。因为钠资源比起锂更加丰富,它在地壳元素中储量约占2.64%,且钠元素的获取方法也非常简单,相对于锂的资源短缺和价格高昂(近年碳酸锂的价格高涨),钠离子电池将具有更大的成本优势。

碳酸锂价格走势

碳酸锂价格走势(数据来源:公开资料)

除此之外,由于钠不会与铝箔发生反应,因此钠离子电池可以采用较为便宜的铝集流体来降低成本。可构造双极性钠离子电池,即将正极和负极材料涂布在同一张铝箔,极片在固体电解质的隔离下可进行周期性堆叠。相同的电极材料组成的对称钠离子电池可以抑制电极材料的巨大体积膨胀,实现更高电压,极大的降低制造成本,增强电极材料的稳定性和安全性。

双极型电池结构的体积优势与成本优势

双极型电池结构的体积优势与成本优势

缺点:

但同时,钠离子电池也有较为突出的缺点亟待解决,如钠离子半径较大,其在电极材料中进行脱嵌时可能会导致材料的破裂,从而影响电池的整体动力学性能和电极完整性。对比于锂,钠具有更高的标准电极电位,导致钠离子电池的能量密度较低。

总结:

虽然目前钠离子电池的能量密度尚不能和锂离子电池媲美,但近年来由于成本优势,钠离子电池形势依旧不错。在一些能量密度要求不高的领域,以及电网储能、调峰,风力发电,太阳能发电等储能领域都很有前景,或将在各类低速电动车中得到应用,与锂离子电池形成优势互补。

二、钾离子电池

近几年,钾离子电池亦开始备受关注。钾元素,与锂、钠元素处于同一主族,也是碱金属兄弟之一,与钠一样具有广泛的来源和丰富的储量,同时与锂、钠元素的物理化学性质也极其相似。


锂、钠、钾的对比

优势:

与钠元素相比,K/K+的标准平衡电位(-2.93 V)更接近于Li/Li+(-3.04 V),比Na/Na+(-2.72 V)更低,使得钾离子电池在输出电压和能量密度方面相对钠离子电池具有潜在优势。另外,由于K+的路易斯酸度比Li+和Na+都更弱,也使得K+在电解液中不易与阴离子结合,因而往往具有更快的迁移速率,这或可促使钾离子电池发挥出更加优异的倍率性能。另外钾不会与铝形成合金,因此同样可以使用更便宜的铝箔作为正负极集流体。


缺点:

不过,钾离子相对具有较大的离子半径,使得其在电极材料中的迁移受到更多阻碍。由于石墨材料层间距不足,即使在锂离子电池中,其也不能满足锂离子的快速迁移。因此对于离子半径更大的钾离子,石墨负极显然无法提供足够大的迁移通道。研究表明,只有当石墨碳层间距扩展到0.38 nm以上,才可能使得钾离子在其中迁移成为可能。

总结:

发展高倍率性能的钾离子电池负极材料是提高钾离电池能量密度和推进其应用的关键所在。

三、铝离子电池

铝离子电池也是目前研究人员的一个关注热点,它是一种以金属铝为对电极,铝盐离子液体溶液为电解质的新型电化学储能器件,具有资源丰富、成本低及安全性高等优点。由于铝金属的成本较低,且不易燃烧,同时具有很高电荷存储能力,因而一直都是颇具吸引力的潜在电极材料。

进展:

但可惜的是,虽然研究人员在过去几十年中一直希望研发出可商业化的铝离子电池,但至今似乎没有成功商业化的例子。目前正极材料是铝离子电池中受关注度最高的,鉴于其放电电压平台比较高,因此通过各种方法提高碳材料的比容量从而提高碳基铝离子电池的能量密度是具有潜力的。以目前的研究结果看来,提高碳材料的比表面积,使用非金属元素掺杂以及降低嵌入型石墨材料的阶数都能够有效提高碳材料的比容量;而负极则是直接使用金属铝是最佳的选择,这是由于金属铝具有较高的理论比容量、安全性和低廉的成本。但铝负极仍然需要进一步的优化,例如表界面的修饰以及体相多孔化等。

总结:

业界认为,铝离子电池依然具有很大的发展空间,但这需要对电池的各个部分进行优化才能够使其可以与锂离子电池竞争。

四、锂硫电池

锂硫电池是一种新型的二次电池,以单质硫为正极,金属锂为负极,是一种非常具有应用前景的锂金属电池。锂硫电池的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理,是电化学机理。锂硫电池以硫为正极反应物质,以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子,正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物,正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。

锂硫电池工作原理

锂硫电池工作原理

优势:

锂硫电池具有很高的能量密度,理论比容量可达1675 m Ah g-1,这远高于目前广泛应用的以钴酸锂为正极的锂离子电池电池容量(<200 mAh g-1)。单质硫对环境非常友好,几乎没有污染,更加环保。且其在地壳中含量丰富,远超稀有金属钴、锰和镍,成本较低,因此在储能方面有非常大的发展前景。

缺点:

锂硫电池目前存在三个主要问题:1、硫很容易与电解液发生反应产生多硫化合物,而多硫化物易溶于电解液造成活性硫损失;2、正极硫导电性差严重阻碍电子转移过程,不利于电池的高倍率性能;3、硫在充放电过程中体积变化非常大,可能造成活性物质的脱落和电池的损坏。

总结:

锂硫电池要想商业化,以上问题都需要尽快解决。目前业界认为,开发和制备新型硫正极材料将会是实现高效储能锂硫电池的有效途径之一,如中国科学院青岛生物能源与过程研究所的研究员就有利用具有高比表面和多级孔结构的活性炭(AC)作为载体,再通过硒(Se)和碲(Te)取代部分硫(S)制作出性能更优异的正极材料。

S-Se-Te三元复合正极材料物相形貌

S-Se-Te三元复合正极材料物相形貌

 

粉体圈NANA整理

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