日本改良钠、钾电池性能，有望替代锂电池
日本东京大学理学院团队改良钠电池和钾电池获得重大突破，有望超越锂电池。图为可用USB进行充电的锂电池。（David Mcnew/AFP）
锂电池与钠、钾电池几乎是同时开发的，但钠、钾电池因能量密度较差，导致它们在发展上不被看好。这次，日本研究人员利用硬碳（HC）和锌氧化物优化两种电池的负极材料，使得其电池能量密度均表现出优异的性能。
锂电池在开发过程中会导致地球上锂金属的储存量不断减少。另外，锂金属从采集到精炼，再到加工成电池的过程中会对环境造成污染，还需要消耗大量生活中的饮用淡水和能源。相比之下，钠、钾要比锂的储量更多且容易取得，这使得钠、钾电池有望成为下一代电池的主流。
日本东京大学理学院（Tokyo University of Science，TUS）驹场真一（Shinichi Komaba）教授领导的研究小组，使用纳米结构“硬碳”（HC）做成电极的新合成策略，使得钠电池（NIB）和钾电池（KIB）类型的电池性能大幅提高。这项新发明于11月9日发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）杂志。
“硬碳”是一种很有前途的钠离子电池负极材料，是因为硬碳能以电化学方式储存钠离子（Na+）。硬碳与石墨烯或钻石等其它形式的碳不同，它缺乏明确的晶体结构，并无定形的碳结构，但却坚固耐用，且在高温中有许多较大的孔洞，还可以用电化学的形式储存锂、钠和钾等碱金属。
基于这种特性，驹场教授和同事们在2021年初对这种材料进行研究。他们通过改善合成条件，进而优化钠储存结构来提高钠电池的容量。
他们将“硬碳”与氧化镁（MgO）作为模板，从而改变其内部最终的纳米结构。这种改变过程是去除氧化镁，在碳电极内形成纳米孔，这个结果反而大大地增加了电极储存钠离子的能力，让这种电池的可逆容量（可逆转的电池容量）提高。
实验团队受此启发，又探索二氧化硅（SiO2）、氧化锌（ZnO）和碳酸钙（CaCO3）是否也可用作硬碳电极的纳米模板，从而改变其最终的纳米结构，让硬碳电极内形成新的纳米孔。
实验人员将这些化合物以600℃进行预热，使得材料被热解，并转化为碳和无机颗粒的复合物，作为主要纳米孔模板，之后放进盐酸中浸泡，消除碳表面上多余的无机颗粒，使其留下更多的孔位。
最终他们将其放入惰性气体中，并加热至1,400℃，使碳转化成“硬碳”和形成封闭的纳米孔，而高温使其它的氧化金属被蒸发，留下有良好纳米孔洞的硬碳模板。最后，以碳热还原反应将钠金属嵌入封闭的纳米孔。
结果显示，氧化锌生成的纳米孔效果，要比先前氧化镁的更大和更佳。而碳酸钙效果最差，其原因是钙金属的沸点大于1400℃，因此在热处理中没有完全蒸发，而是以氧化钙（CaO）或碳酸钙（CaCO3）的形式存在。
另外，“葡萄糖酸锌”和“醋酸锌”若以3比1的比例调和成混合物作为起始原料，做成氧化锌的硬碳模板，不仅不含锌金属，还能让钠电池的可逆容量提高至464mAh/g。
该容量相当于碳化钠（NaC）的可逆容量，且具有91.7%的高初始放电效率和0.18V的低平均电位，在经过200次充放电循环后，依然保持93%的初始容量。
该团队透过优化的“硬碳”作为钠电池负极。这种强大的电极材料融入实际电池中让整个电池能量密度达到312Wh/kg，实验效果可谓十分显著。
另外，实验人员在钾电池中使用氧化锌的硬碳模板做实验时，也显示出381mAh/g的可逆容量，这证明氧化锌做出的硬碳材料也能适用于钾电池。
该团队表示，尽管还有全电池循环寿命、无镍高容量正极等方面的挑战，但使用氧化锌做出的硬碳材料，已经成功增大电池的容量、提高初始放电效率，不仅让钠电池拥有与锂电池相当的能量密度，还有望取代石墨。
他们还表示，使用无机纳米粒子作为控制硬碳电极中的孔隙结构，是个好办法，能让钠电池在未来应用在电动车、3C电子产品，甚至可以用来储存来自风能和太阳能的电力。
驹场教授对该校的新闻社表示，“新钠电池得到的能量密度值，相当于目前商业化的一些磷酸铁锂电池（LiFePO4）和石墨锂电池的能量密度值。另外值得注意的是，这项结果比我们2011年在实验室做出的第一批钠电池要高上1.6倍以上。”
驹场教授总结道，“我们的研究结果证明，碳氢化合物有望成为石墨负极的替代品候选者。”
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