近日，鸟取大学工学部教授坂口宏树带领的课题组与户田工业联合，将锑（Sb）添加到户田工业自主研发的氧化铁（Fe₂O₃）微粒中，开发出一种性能优秀的钠离子负极材料，除了成功提高了电子导电性外，还成功抑制了内聚力。

户田工业制造的氧化铁

研究背景

锂离子电池重量轻且能量密度高，目前已被广泛用作便携式电子设备的电源，未来有望进一步扩大和提高性能。但人们也担心锂资源的稀缺导致的成本问题会不会在未来影响锂电池的使用。

另一方面，由于海水中几乎取之不尽的钠（Na）资源可廉价且大量获得，因此钠离子电池有望成为适用于大规模固定电源的廉价蓄电池。同时，氧化铁（Fe₂O₃）作为一种廉价且资源丰富的材料也正被广泛使用。

在坂口教授的研究中，他尝试将户田工业制造的超细氧化铁颗粒用于钠离子电池中。当用于负极时，所产生的超细Fe₂O₃颗粒提供了高充放电容量。然而，Fe₂O₃负极的电子导电率较低，反复充放电会导致Fe₂O₃颗粒在负极聚集，导致电绝缘和电极塌陷。因此，存在作为电极的耐久性低（充放电循环寿命短）的问题。

超细氧化铁颗粒

研究进展

为了Fe₂O₃负极的缺陷，在研究中科学家将Sb、Sn、Bi、In、Zn、Al等各种不同性质的金属与Fe₂O₃结合，试图通过改善电流收集和抑制Fe₂O₃颗粒的聚集来解决该问题。他们以钠离子电池为原型，对Fe₂O₃与多种金属复合而成的电极进行了充放电测试。

结果证实，当仅将超细Fe₂O₃颗粒用于负电极时，它确会因电子传导性差和颗粒聚集，使得容量在充电-放电循环期间迅速损失。即使通过与Al或Zn形成复合物也没有改善该问题。另一方面，当使用通过与Na进行合金化反应而充当传导路径的Sn或Bi时，容量下降得到缓和。

最终科学家发现，与Na也能进行合金化反应的Sb与Fe₂O₃结合的电极极大地改善了从初始循环开始的容量下降，具有优异的循环稳定性。在充放电后对该电极的横截面结构的检查也表明，Sb的添加进一步抑制了导致容量下降的裂纹的发生。

左：采用氧化铁负极的钠离子电池组的原型；右：Sb与Fe₂O₃结合的负极微观结构

根据这些结果，科学家认为介于Fe₂O₃颗粒之间的Sb随着充电和放电期间的体积变化会发生膨胀和收缩，从而防止团聚并抑制电极结构的破坏。科学家认为，这一发现不仅对使用液体电解质的锂离子电池和钠离子电池有用，而且对使用固体电解质的电池也有用，有望为下一代蓄电池的材料开发做出贡献。

粉体圈Coco编译

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