日本改良鈉、鉀電池性能 有望替代鋰電池
【大紀元2023年12月05日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）鋰電池與鈉、鉀電池幾乎是同時開發的，但鈉、鉀電池因能量密度較差，導致它們在發展上不被看好。這次，日本研究人員利用硬碳（HC）和鋅氧化物優化兩種電池的負極材料，使得其電池能量密度均表現出優異的性能。
鋰電池在開發過程中會導致地球上鋰金屬的儲存量不斷減少。另外，鋰金屬從採集到精煉，再到加工成電池的過程中會對環境造成污染，還需要消耗大量生活中的飲用淡水和能源。相比之下，鈉、鉀要比鋰的儲量更多且容易取得，這使得鈉、鉀電池有望成為下一代電池的主流。
日本東京大學理學院（Tokyo University of Science，TUS）駒場真一（Shinichi Komaba）教授領導的研究小組，使用納米結構「硬碳」（HC）做成電極的新合成策略，使得鈉電池（NIB）和鉀電池（KIB）類型的電池性能大幅提高。這項新發明於11月9日發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）雜誌。
「硬碳」是一種很有前途的鈉離子電池負極材料，是因為硬碳能以電化學方式儲存鈉離子（Na+）。硬碳與石墨烯或鑽石等其它形式的碳不同，它缺乏明確的晶體結構，並無定形的碳結構，但卻堅固耐用，且在高溫中有許多較大的孔洞，還可以用電化學的形式儲存鋰、鈉和鉀等鹼金屬。
基於這種特性，駒場教授和同事們在2021年初對這種材料進行研究。他們通過改善合成條件，進而優化鈉儲存結構來提高鈉電池的容量。
他們將「硬碳」與氧化鎂（MgO）作為模板，從而改變其內部最終的納米結構。這種改變過程是去除氧化鎂，在碳電極內形成納米孔，這個結果反而大大地增加了電極儲存鈉離子的能力，讓這種電池的可逆容量（可逆轉的電池容量）提高。
實驗團隊受此啟發，又探索二氧化硅（SiO2）、氧化鋅（ZnO）和碳酸鈣（CaCO3）是否也可用作硬碳電極的納米模板，從而改變其最終的納米結構，讓硬碳電極內形成新的納米孔。
實驗人員將這些化合物以600℃進行預熱，使得材料被熱解，並轉化為碳和無機顆粒的複合物，作為主要納米孔模板，之後放進鹽酸中浸泡，消除碳表面上多餘的無機顆粒，使其留下更多的孔位。
最終他們將其放入惰性氣體中，並加熱至1,400℃，使碳轉化成「硬碳」和形成封閉的納米孔，而高溫使其它的氧化金屬被蒸發，留下有良好納米孔洞的硬碳模板。最後，以碳熱還原反應將鈉金屬嵌入封閉的納米孔。
結果顯示，氧化鋅生成的納米孔效果，要比先前氧化鎂的更大和更佳。而碳酸鈣效果最差，其原因是鈣金屬的沸點大於1400℃，因此在熱處理中沒有完全蒸發，而是以氧化鈣（CaO）或碳酸鈣（CaCO3）的形式存在。
另外，「葡萄糖酸鋅」和「醋酸鋅」若以3比1的比例調和成混合物作為起始原料，做成氧化鋅的硬碳模板，不僅不含鋅金屬，還能讓鈉電池的可逆容量提高至464mAh/g。
該容量相當於碳化鈉（NaC）的可逆容量，且具有91.7%的高初始放電效率和0.18V的低平均電位，在經過200次充放電循環後，依然保持93%的初始容量。
該團隊透過優化的「硬碳」作為鈉電池負極。這種強大的電極材料融入實際電池中讓整個電池能量密度達到312Wh/kg，實驗效果可謂十分顯著。
另外，實驗人員在鉀電池中使用氧化鋅的硬碳模板做實驗時，也顯示出381mAh/g的可逆容量，這證明氧化鋅做出的硬碳材料也能適用於鉀電池。
該團隊表示，儘管還有全電池循環壽命、無鎳高容量正極等方面的挑戰，但使用氧化鋅做出的硬碳材料，已經成功增大電池的容量、提高初始放電效率，不僅讓鈉電池擁有與鋰電池相當的能量密度，還有望取代石墨。
他們還表示，使用無機納米粒子作為控制硬碳電極中的孔隙結構，是個好辦法，能讓鈉電池在未來應用在電動車、3C電子產品，甚至可以用來儲存來自風能和太陽能的電力。
駒場教授對該校的新聞社表示，「新鈉電池得到的能量密度值，相當於目前商業化的一些磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）和石墨鋰電池的能量密度值。另外值得注意的是，這項結果比我們2011年在實驗室做出的第一批鈉電池要高上1.6倍以上。」
駒場教授總結道，「我們的研究結果證明，碳氫化合物有望成為石墨負極的替代品候選者。」
責任編輯：連書華
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