鋰電池與鈉、鉀電池幾乎是同時(shí)開(kāi)發(fā)的，但鈉、鉀電池因能量密度較差，導(dǎo)致它們?cè)诎l(fā)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(yōu)化兩種電池的負(fù)極材料，使得其電池能量密度均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

　　鋰電池在開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致地球上鋰金屬的儲(chǔ)存量不斷減少。另外，鋰金屬?gòu)牟杉骄珶?，再到加工成電池的過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)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(chǔ)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(xué)理學(xué)院駒場(chǎng)真一教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，使用納米結(jié)構(gòu)“硬碳”（HC）做成電極的新合成策略，使得鈉電池（NIB）和鉀電池類(lèi)型的電池性能大幅提高。這項(xiàng)新發(fā)明于11月9日發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》雜志。
　　“硬碳”是一種很有前途的鈉離子電池負(fù)極材料，是因?yàn)橛蔡寄芤噪娀瘜W(xué)方式儲(chǔ)存鈉離子（Na+）。硬碳與石墨烯或鉆石等其它形式的碳不同，它缺乏明確的晶體結(jié)構(gòu)，并無(wú)定形的碳結(jié)構(gòu)，但卻堅(jiān)固耐用，且在高溫中有許多較大的孔洞，還可以用電化學(xué)的形式儲(chǔ)存鋰、鈉和鉀等堿金屬。
　　基于這種特性，駒場(chǎng)教授和同事們?cè)?021年初對(duì)這種材料進(jìn)行研究。他們通過(guò)改善合成條件，進(jìn)而優(yōu)化鈉儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)來(lái)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(nèi)部最終的納米結(jié)構(gòu)。這種改變過(guò)程是去除氧化鎂，在碳電極內(nèi)形成納米孔，這個(gè)結(jié)果反而大大地增加了電極儲(chǔ)存鈉離子的能力，讓這種電池的可逆容量（可逆轉(zhuǎn)的電池容量）提高。
　　實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，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(jié)構(gòu)，讓硬碳電極內(nèi)形成新的納米孔。
　　實(shí)驗(yàn)人員將這些化合物以600℃進(jìn)行預(yù)熱，使得材料被熱解，并轉(zhuǎn)化為碳和無(wú)機(jī)顆粒的復(fù)合物，作為主要納米孔模板，之后放進(jìn)鹽酸中浸泡，消除碳表面上多余的無(wú)機(jī)顆粒，使其留下更多的孔位。
　　最終他們將其放入惰性氣體中，并加熱至1,400℃，使碳轉(zhuǎn)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(fā)，留下有良好納米孔洞的硬碳模板。最后，以碳熱還原反應(yīng)將鈉金屬嵌入封閉的納米孔。
　　結(jié)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(diǎn)大于1400℃，因此在熱處理中沒(méi)有完全蒸發(fā)，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(diào)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(dāng)于碳化鈉（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(jīng)過(guò)200次充放電循環(huán)后，依然保持93%的初始容量。
　　該團(tuán)隊(duì)透過(guò)優(yōu)化的“硬碳”作為鈉電池負(fù)極。這種強(qiáng)大的電極材料融入實(shí)際電池中讓整個(gè)電池能量密度達(dá)到312Wh/kg，實(shí)驗(yàn)效果可謂十分顯著。
　　另外，實(shí)驗(yàn)人員在鉀電池中使用氧化鋅的硬碳模板做實(shí)驗(yàn)時(shí)，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于鉀電池。
　　該團(tuán)隊(duì)表示，盡管還有全電池循環(huán)壽命、無(wú)鎳高容量正極等方面的挑戰(zhàn)，但使用氧化鋅做出的硬碳材料，已經(jīng)成功增大電池的容量、提高初始放電效率，不僅讓鈉電池?fù)碛信c鋰電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，還有望取代石墨。
　　他們還表示，使用無(wú)機(jī)納米粒子作為控制硬碳電極中的孔隙結(jié)構(gòu)，是個(gè)好辦法，能讓鈉電池在未來(lái)應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)、3C電子產(chǎn)品，甚至可以用來(lái)儲(chǔ)存來(lái)自風(fēng)能和太陽(yáng)能的電力。
　　駒場(chǎng)教授對(duì)該校的新聞社表示，“新鈉電池得到的能量密度值，相當(dāng)于目前商業(yè)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(xiàng)結(jié)果比我們2011年在實(shí)驗(yàn)室做出的第一批鈉電池要高上1.6倍以上?！?br /> 　　駒場(chǎng)教授總結(jié)道，“我們的研究結(jié)果證明，碳?xì)浠衔镉型蔀槭?fù)極的替代品候選者?！?br />