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nalizidianchi
鈉離子電池
鈉離子電池（Sodium-ion battery），是一種二次電池（充電電池），主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。
2018年12月，南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊合作，首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展。
2020年11月，中科院物理所胡勇勝研究員與中外團(tuán)隊合作的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界頂級學(xué)術(shù)刊物《Science》上發(fā)表，同時，這也是《Science》創(chuàng)刊百余年來首次刊登鈉離子電池領(lǐng)域相關(guān)文章。該研究提出了一種簡單的預(yù)測鈉離子層狀氧化物構(gòu)型的方法，并在實驗上證實了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設(shè)計和制備提供了理論指導(dǎo)。該研究成果入選2020年度中國科學(xué)十大進(jìn)展30項候選成果。
研究歷史
鈉離子電池研究最早開始于上世紀(jì)八十年代前后，早期被設(shè)計開發(fā)出來的電極材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2電化學(xué)性能不理想，發(fā)展非常緩慢。尋找合適的鈉離子電極材料是鈉離子儲能電池實現(xiàn)實際應(yīng)用的關(guān)鍵之一。2010年以來，根據(jù)鈉離子電池特點設(shè)計開發(fā)了一系列正負(fù)極材料，在容量和循環(huán)壽命方面有很大提升，如作為負(fù)極的硬碳材料、過渡金屬及其合金類化合物，作為正極的聚陰離子類、普魯士藍(lán)類、氧化物類材料，特別是層狀結(jié)構(gòu)的NaxMO2（M= Fe、Mn、Co、V、Ti）及其二元、三元材料展現(xiàn)了很好的充放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
由于鈉離子相對更大，需要更大的能量來驅(qū)動離子的運(yùn)動，這方面一度是新電池技術(shù)最頭疼的問題，直到科學(xué)家們像碳芯電池一樣，采用碳作為驅(qū)動介質(zhì)，使得鈉離子電池的能效可以達(dá)到鋰電池的7倍之多，而且可循環(huán)充電的次數(shù)更多。此外，鈉離子的液態(tài)記憶這項難題也被攻克。
中科院物理所胡勇勝研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊自2011年起致力于安全保、低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)研發(fā)，開發(fā)出低成本銅基正極材料、煤基碳負(fù)極材料、低鹽濃度電解液，其核心專利獲得中國、美國、日本及歐盟授權(quán)。2017年，建成百噸級正、負(fù)極材料中試線，兆瓦級產(chǎn)能的電池線，研制出能量密度為150 Wh/kg，循環(huán)壽命達(dá)4500周的鈉離子電池，并先后完成電動自行車、全球首輛鈉離子電池低速電動車、首座100kWh鈉離子電池儲能電站示范應(yīng)用和全球首座1MWh鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)。研制的鈉離子電池產(chǎn)品可以滿足自行車等各類低速電動車及電動船的需求，也可用于家庭/工業(yè)儲能、5G基站和數(shù)據(jù)中心后備電源，且適合應(yīng)用于可再生能源接入電網(wǎng)及分布式儲能等大規(guī)模儲能領(lǐng)域。
2015年11月30日，法國一支研究團(tuán)隊在可充電電池材料上取得了一項重大進(jìn)步，“18650”鋰電池被普遍用于筆記本、LED手電、以及特斯拉Model S汽車等設(shè)備上，但法國國家科學(xué)研究中心的研究人員們首次開發(fā)出了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的18650規(guī)格的鈉離子電池。
上海交通大學(xué)馬紫峰教授研究小組在國家自然科學(xué)基金委和國家973計劃支持下，從工業(yè)化應(yīng)用角度出發(fā)，采用氧化石墨烯對[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2電極進(jìn)行修飾改性，制備了無粘結(jié)劑的高電導(dǎo)特性的柔性電極，在0.1C至10C充放循環(huán)條件下，獲得良好的容量和循環(huán)性能。該研究小組還采用廉價的普魯士藍(lán)類材料（NaMFe(CN)6），通過優(yōu)化晶體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑了高容量、長循環(huán)壽命的鈉離子電池正極材料。其比容量高達(dá)118.2 mAh/g （10 mA/g）。在國際上首次將該材料與硬碳負(fù)極材料制備了儲能型鈉離子電池的原型電池，其能量密度達(dá)到了81.72 Wh/kg，是鉛酸電池的2倍，為儲能型鈉離子電池工業(yè)化奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
2018年12月，南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊合作，首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展，使低成本鈉離子電池有望取代鋰離子電池，相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》上。這種正極材料制成的電極比容量達(dá)到211.9毫安時每克，而市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時每克。充放電過程中，這種正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無相變，體積變化僅為2%，循環(huán)充放電1000次后，比容量保持率高達(dá)94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標(biāo)準(zhǔn)約為80%。
2020年12月，胡勇勝團(tuán)隊匯集近十年在鈉離子電池基礎(chǔ)研究和工程化探索中取得的研究進(jìn)展，薈萃國內(nèi)外專家學(xué)者近四十年在鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域取得的杰出成果，組織撰寫了《鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)》這本專業(yè)書籍，系統(tǒng)總結(jié)了鈉離子電池的研究現(xiàn)狀，集中探討鈉離子電池的關(guān)鍵問題，著力展望鈉離子電池的發(fā)展趨勢。
