51页PPT| 钠电负极：碳基负极

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钠离子电池技术不断成熟，大规模量产在即。 钠离子电池起源于 1976 年， Whittingham 报导了 TiS2 的可逆嵌锂机制，并制作了 Li||TiS2 电池， Na+ 在 TiS2 中的可逆脱嵌机制也被发现。到 19 世纪 80 年代， Delmas 和 Goodenough 相继发现了层状氧化物材料 NaMeO2 (Me = Co,Ni,Cr,Mn,or Fe) 可作为钠离子电池正极材料，此发现奠定了钠离子电池的商业化基础。随后， Stevens 和 Dahn 发现硬碳材料具有优秀的钠离 子脱嵌性能，该研究成为钠离子电池领城的重大转折点。至此，钠离子电池两大关键 材料得到确定，也为后续钠离子电池商业化应用打下基础。 2015 年，全球首颗 18650 圆柱型钠离子电池诞生，该电芯能量密度达到 90Wh/kg ，循环寿命超过 2000 次，再 一次推进了钠离子的商业化进程。随后，我国在钠离子电池领域取得了十足的进步， 2021 年，中科海纳推出了全球首套 1MWh 钠离子电池光储充智能微网系统，并成功 投入运行；随后，宁德时代推出能量密度达到 160Wh/kg ， 15 分钟可充满 80% 的电量， -20 ℃可放出 90% 电量的钠离子电池。至此，钠离子电池即将迈入到商业化阶段，大规 模量产在即。

2 负极材料：钠电核心材料，碳基负极有望率 先 产业化

负极材料为钠电池关键构成材料之一，其成本占比约为 16% 。 负极的主要功能 是在电池充放电时放出或储存从正极接收的钠离子并通过外部电路输出电子进行供电。而负极材料的选择会直接关系到电池的能量密度，影响钠电池的首次效率、循 环性能等。负极材料的选择依据包括 1 ）具有相对较高比容量和良好的形貌，与分散剂、电解液的兼容性好，同时具有良好的加工性能。 2 ）嵌钠电位应该尽量低，电势不随着嵌钠量的变化有太大改变，使电池具备高电压。 3 ）结构较稳定，脱嵌钠时材料结构不发生巨大改变，保证良好动力性能和循环寿命。 4 ）原料丰富，价格便宜， 容易制备，不污染环境等。

2.1 钠离子电池负极种类多，硬碳有望率先产业化

钠离子电池负极材料种类较多，碳基材料综合性能最佳。 钠离子电池负极材料 包括金属化合物、碳基材料、合金材料和非金属单质，其中碳基材料凭借来源广泛、较强的储钠能力等优点而成为钠离子电池当前最佳的负极材料。其余的负极材料如金属化合物、合金材料和非金属单质均存在体积膨胀的问题，体积膨胀会使得其在充放电过程中出现电极碎裂的风险，进而影响电池寿命。石墨负极由于热力学原因， 钠离子无法在石墨层间可逆嵌入 / 脱出，因此传统石墨不能用作钠离子电池的负极材 料。改性后的石墨材料钠离子可逆比容量依旧较低，而且成本还大幅增加，因此当前时期石墨负极在钠离子电池领域应用较少 。

碳基负极包括改良后的石墨负极材料、软碳材料和硬碳材料。 改良后的石墨负极材料层间距扩大，能更好的容纳钠离子的嵌入和脱嵌，但是由于改良后的石墨负极成本较高，而且钠离子可逆比容量依旧较低，因此石墨材料用于钠离子电池负极材料还有待技术的进一步突破。相比于石墨负极，软碳负极的储钠能力和倍率性能更具优势，但是由于软碳材料在高温下易发生石墨化，将导致负极储钠能力的降低，进而降低电池的能量密度。硬碳材料由于具备较强的储钠能力和难以石墨化的优点，是当前最适合钠离子电池的负极材料。但是，硬碳材料的循环性能一般，因此硬碳负极一般需要进行材料改性进一步提升其综合性能。

硬碳材料储钠能力强，是当前最为理想的钠离子电池负极材料。 硬碳是指在2800℃以上难以石墨化的碳材料，其内部的石墨微晶排列较软碳更加无序、杂乱，且含有一部分的微纳孔区域，具有较高的储钠容量和较低的储钠电势（在 0.1V 的平台区具备较高的储钠容量），被认为是最理想的储钠碳基负极材料。从储钠机理的角度来看，硬碳材料内具备较大的层间距，而且钠离子在硬碳材料中的扩散距离较短，这是硬碳具备较强储钠能力的主要原因。而且，硬碳负极原材料来源丰富，价格低廉，木质素、蔗糖、葡萄糖、花生壳、香蕉皮、煤、氧化沥青等均能作为其碳源，因此其原材料成本较低，综合性价比较高，是当前最为理想的钠离子电池负极材料。

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