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風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的充分利用依賴于低成本大型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。鈉離子電池和鋰離子電池具有相似的原理及生產(chǎn)流程，且鈉資源的分布廣泛，近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注。無(wú)論是鋰離子電池還是鈉離子電池，倍率性能都是評(píng)價(jià)其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，鈉離子電池正極材料的研發(fā)已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。然而，對(duì)于負(fù)極而言，廣泛應(yīng)用于鋰離子電池中的石墨負(fù)極在鈉離子電池中沒(méi)有電化學(xué)性能。
硬碳材料，也被稱為不可石墨化無(wú)定形碳，是目前眾多負(fù)極材料中綜合性能最好的。由于該材料具有較高的容量、穩(wěn)定的循環(huán)性能以及前驅(qū)體取材廣泛，將在未來(lái)鈉離子電池商業(yè)化中起到重要的作用。近年來(lái)，隨著不同前驅(qū)體、不同結(jié)構(gòu)以及摻雜等技術(shù)的研究，硬碳負(fù)極材料的性能得到了進(jìn)一步的提升。然而，硬碳負(fù)極材料的倍率性能一直較差，成為其未來(lái)商業(yè)化的絆腳石。
俄勒岡州立大學(xué)的紀(jì)秀磊教授團(tuán)隊(duì)，在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，硬碳的倍率性能由于半電池測(cè)試體系的限制而被顯著低估。鈉離子電池電極材料的評(píng)價(jià)測(cè)試，沿用了廣泛應(yīng)用于鋰離子電池的半電池測(cè)試評(píng)價(jià)體系。在該半電池體系中，鋰片／鈉片既被用作電池的對(duì)電極，同時(shí)也是參比電極。該測(cè)試體系能夠很好地應(yīng)用于鋰離子電池以及大多數(shù)的鈉離子電池負(fù)極材料的評(píng)價(jià)中。
然而，對(duì)于硬碳材料而言，此測(cè)試體系并不能完全展示出硬碳材料的特性。這是由于硬碳材料一半以上的容量是來(lái)自低電壓的平臺(tái)部分（～0。05 V vs。 Na＋／Na），在鈉離子嵌入（放電）過(guò)程中，尤其是高電流條件下，鈉金屬上的過(guò)電位會(huì)造成鈉離子嵌入的提前結(jié)束，從而造成其在高電流下較低的容量。這就可能掩蓋了硬碳自身可能具有較高的倍率性能。因此，紀(jì)教授團(tuán)隊(duì)采用三電極測(cè)試體系對(duì)硬碳材料的倍率性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并發(fā)現(xiàn)在1 C（250 mA／g）的電流下，容量由傳統(tǒng)半電池中的118 mAh／g提高到186 mAh／g。
三電池測(cè)試體系的結(jié)構(gòu)示意圖
他們通過(guò)硬碳材料在三電極體系中的充放電曲線可以清晰地看到，鈉片對(duì)電極的電位在充放電過(guò)程中有著較大的極化現(xiàn)象，并隨著充放電電流的增大而提高。該極化現(xiàn)象在傳統(tǒng)半電池體系中將會(huì)造成鈉離子嵌入硬碳的提前終止。由此造成的容量損失在10 C的電流下，可占其總?cè)萘康?7％。這一發(fā)現(xiàn)揭示了硬碳材料本身在鈉離子電池中具有較好的倍率性能，有益于硬碳材料的發(fā)展和商業(yè)化。
不同電流下，三電極體系中的充放電曲線
科研思路分析
問(wèn)：這項(xiàng)研究的想法是如何產(chǎn)生的？
答：長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)于硬碳材料在鈉離子電池中的低倍率性能幾乎達(dá)成共識(shí)，并認(rèn)為這是由材料自身的結(jié)構(gòu)決定的。學(xué)術(shù)界廣泛采用半電池體系對(duì)電極材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法在硬碳材料的評(píng)價(jià)上并未受到質(zhì)疑。然而，我們?cè)谇捌趯?duì)于鈉離子電池的一些研究中發(fā)現(xiàn)，在半電池體系中，鈉片作為對(duì)電極在高電流下的極化現(xiàn)象顯著。考慮到硬碳材料接近鈉金屬標(biāo)準(zhǔn)氧化電位的低電壓充放電平臺(tái)，我們假想半電池中鈉片的過(guò)電位會(huì)掩蓋硬碳材料的高倍率性能。因此，我們采用了三電極體系對(duì)硬碳材料進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
問(wèn)：這項(xiàng)研究成果的有何影響？
答：半電池在鈉離子電池電極材料的評(píng)價(jià)中，并未受到過(guò)多的質(zhì)疑。而本研究指出了半電池體系在對(duì)鈉離子電池電極材料，尤其是對(duì)于硬碳材料評(píng)價(jià)中的天然缺陷。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)硬碳材料在鈉離子電池中的研究具有指導(dǎo)意義。更為重要的是，該研究揭示了硬碳材料自身的高倍率性能，必將促進(jìn)其未來(lái)的商業(yè)化。