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導(dǎo)讀：發(fā)展便捷高效的新型儲能技術(shù)，是當(dāng)前社會研究的熱點(diǎn)。

 

能源作為人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，一直扮演著重要的角色，是人類社會發(fā)展必不可少的保障，與水、空氣、糧食等共同構(gòu)成了人類賴以生存的必要條件，直接影響著人類的生活。

 

能源工業(yè)的發(fā)展，經(jīng)過了由薪柴“時代”到煤炭“時代”，再由煤炭“時代”到石油“時代”的兩大轉(zhuǎn)變，目前已經(jīng)開始由石油“時代”向可再生能源“時代”的轉(zhuǎn)變。

 

從19世紀(jì)初期以煤炭為主，到20世紀(jì)中期以石油為主，人類大規(guī)模利用化石能源已經(jīng)有200多年了。然而，全球以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)特征，使得距離化石能源枯竭的日子，不再遙遠(yuǎn)。

 

以煤炭、石油和天然氣為代表的傳統(tǒng)的三大化石能源經(jīng)濟(jì)載體，在新世紀(jì)將會迅速枯竭，且在使用和燃燒過程中，還會導(dǎo)致溫室效應(yīng)，產(chǎn)生大量污染物，污染環(huán)境。

 

因此，降低對化石能源的依賴，改變現(xiàn)有的不合理的能源使用結(jié)構(gòu)，尋求清潔、無污染的新型可再生能源，勢在必行。

 

目前可再生能源主要包括風(fēng)能、氫能、太陽能、生物能、潮汐能和地?zé)崮艿?，而風(fēng)能與太陽能，更是當(dāng)前世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

 

然而，實(shí)現(xiàn)各種可再生能源相互之間的高效轉(zhuǎn)化和儲存，當(dāng)前還比較困難，因此使其難以有效的被利用。

 

在此情形下，為了實(shí)現(xiàn)人類對新型可再生能源的有效利用，就要發(fā)展便捷高效的新型儲能技術(shù)，這也是當(dāng)前社會研究的熱點(diǎn)。

 

一

 

目前，鋰離子電池作為最高效的二次電池之一，已被廣泛的應(yīng)用于各種電子器件、交通、航天等領(lǐng)域，但隨著能源利用的增加，鋰元素因儲量少、價格高等原因，發(fā)展前景較為艱難。

 

鈉與鋰的物理化學(xué)性質(zhì)類似，具有儲能效果，且因其含量豐富、鈉源分布均勻、價格較低等因素，將其應(yīng)用于大規(guī)模的儲能技術(shù)，具有成本少、效益高等特點(diǎn)。

 

鈉離子電池的正負(fù)極材料包括層狀過渡金屬化合物、聚陰離子型、過渡金屬磷酸鹽、核殼納米、金屬化合物、硬碳等。

 

碳作為自然界儲量極其豐富的一種元素，廉價易得，作為鈉離子電池負(fù)極材料獲得了諸多的認(rèn)可。

 

按照石墨化程度，碳材料可以分為石墨類碳和無定型碳兩大類。

 

歸屬于無定形碳中的硬碳，表現(xiàn)出了達(dá)300mAh/g 的儲鈉比容量， 而石墨化程度較高的碳材料由于表面積較大、有序性較強(qiáng)等原因，難以滿足商業(yè)應(yīng)用。

 

因此，在實(shí)際研究中以非石墨類硬碳材料為主。

 

為了進(jìn)一步提升鈉離子電池負(fù)極材料的性能，通過離子摻雜或復(fù)合的方法對碳材料的親水性、導(dǎo)電性等進(jìn)行改善，可以增強(qiáng)碳材料的儲能性能。

 

金屬化合物作為鈉離子電池負(fù)極材料，主要是以二維金屬碳化物、氮化物為主，除了具備二維材料的優(yōu)異特性以外，不僅可以通過吸附、插層的方式儲存鈉離子，還可以與鈉離子結(jié)合，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電容進(jìn)行儲能，進(jìn)而極大的提升儲能效果。

 

金屬化合物由于受限于成本太高，且難以獲得，因此目前鈉離子電池負(fù)極材料仍然以碳材料為主。

 

層狀過渡金屬化合物的興起是在石墨烯發(fā)現(xiàn)之后，目前應(yīng)用于鈉離子電池的二維材料主要有鈉基層狀NaxMO4、NaxCoO4、NaxMnO4、NaxVO4、NaxFeO4等。

 

聚陰離子型正極材料最早應(yīng)用于鋰離子電池正極，后被借鑒應(yīng)用于鈉離子電池，主要代表材料有NaMnPO4、NaFePO4 等橄欖石型晶體。

 

過渡金屬磷酸鹽最開始也是被應(yīng)用于鋰離子電池中的一種正極材料，合成工藝較成熟，晶體結(jié)構(gòu)較多。

 

磷酸鹽作為一種三維結(jié)構(gòu)，搭建起來的一種框架結(jié)構(gòu)有利于鈉離子的脫嵌和嵌入，進(jìn)而得到儲能性能優(yōu)異的鈉離子電池。

 

核殼結(jié)構(gòu)材料是近年來才興起的新型鈉離子電池正極材料，這種材料在原有材料的基礎(chǔ)上，通過精妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了空心結(jié)構(gòu)。

 

比較常見的核殼結(jié)構(gòu)材料有空心硒化鈷納米立方、Fe-N共參雜核殼釩酸鈉納米球、多孔碳空心氧化錫納米球等空心結(jié)構(gòu)。

 

由于其本身的優(yōu)異特性，再加上獨(dú)特的空心、多孔結(jié)構(gòu)，使得更多的電化學(xué)活性暴漏在電解液當(dāng)中，同時還會極大的促進(jìn)電解液的離子遷移率，實(shí)現(xiàn)高效儲能。

 

二

 

全球可再生能源的持續(xù)增長，推動了儲能技術(shù)的發(fā)展。

 

目前，根據(jù)儲能方式的不同，可以分為物理儲能和電化學(xué)儲能。

 

電化學(xué)儲能因安全性高、成本低、應(yīng)用靈活，以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了當(dāng)今新能源儲能技術(shù)的發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。

 

按照不同的電化學(xué)反應(yīng)過程，電化學(xué)儲能電源主要包括超級電容器、鉛酸電池、燃料電池、鎳氫電池、鈉硫電池，以及鋰離子電池等。

 

儲能技術(shù)中，柔性電極材料由于其設(shè)計(jì)的多樣性、靈活性、低成本，以及環(huán)保的特性，吸引了諸多科學(xué)家的研究興趣。

 

碳材料具有特殊的熱化學(xué)穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電率、較高強(qiáng)度，以及非比尋常的機(jī)械性能，使其有望成為鋰離子電池和鈉離子電池的電極。

 

超級電容器可以在大電流條件下快速充放電，且循環(huán)壽命達(dá)10萬次以上，是一種介于電容和電池之間的新型特殊電化學(xué)儲能電源。

 

超級電容器具有高功率密度與高能量轉(zhuǎn)化率等特點(diǎn)，但其能量密度較低，易發(fā)生自放電，使用不當(dāng)時易發(fā)生電解液的泄露。

 

燃料電池雖具有不用充電，容量大，比容量高和比功率范圍廣等特點(diǎn)，但其運(yùn)行溫度高，成本價格較高，以及能量轉(zhuǎn)換效率低，使其在商業(yè)化的過程中只能在某些特定的領(lǐng)域使用。

 

鉛酸電池具有成本低廉，技術(shù)成熟，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，且在信號基站，電動自行車、汽車與電網(wǎng)儲能等方面已有廣泛的應(yīng)用，但其因能量密度低、體積大、壽命短，以及污染環(huán)境等短板，無法滿足對儲能電池越來越高的要求與標(biāo)準(zhǔn)。

 

鎳氫電池具有通用性強(qiáng)，發(fā)熱量小，單體容量大，放電特性平穩(wěn)等特點(diǎn)，但其本身的重量比較大，且電池串聯(lián)管理的問題較多，易導(dǎo)致單體電池隔板融化。

 

原標(biāo)題:鈉離子電池儲能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀