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《【 Nature Materials】钠离子电池的新材料带来了经济、可持续的未来》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2024-12-24

  • 虽然锂离子电池已成为从智能手机、笔记本电脑到电动汽车等各种产品的首选技术，但由于锂相对稀缺、昂贵且难以获得，人们对其未来的担忧与日俱增。 世界各地的科学家正在努力创造可行的替代品。

    由休斯敦大学卡内帕研究实验室等跨学科研究人员组成的国际团队开发出了一种新型钠离子电池材料，这种材料可以提高钠离子电池的效率并提升其能量性能，从而为实现更可持续、更经济的能源未来铺平道路。 该研究成果发表在 Nature Materials 杂志上。 这种新型材料是化学式为NaxV2(PO4)3的磷酸钒钠，它通过将能量密度（每公斤储存的能量）提高15%以上来改善钠离子电池的性能。 这种材料的能量密度高达 458 瓦时/千克（Wh/kg），而老式钠离子电池的能量密度仅为 396 瓦时/千克，因此钠技术更接近于与锂离子电池竞争。

    从理论到现实 

     研究人员使用新材料 NaxV2(PO4)3 制作了一个电池原型，显示出显著的储能改进。 NaxV2(PO4)3是 "Na超离子导体 "或NaSICONs材料群的一部分，其设计目的是让钠离子在充电和放电过程中顺利进出电池。 与现有材料不同的是，它有一种处理钠的独特方法，使其能够作为单相系统工作。 这意味着它在释放或吸收钠离子时保持稳定。 这使得NaSICON在充电和放电过程中保持稳定，同时提供3.7伏的连续电压，高于现有材料中3.37伏的钠金属电压。 虽然这一差异可能看起来很小，但它大大提高了电池的能量密度，或者说，电池的重量可以存储多少能量。 电池效率的关键在于钒，钒能以多种稳定状态存在，使其能够保持和释放更多能量。

    可持续未来的可能性

     这项工作的意义不仅限于钠离子电池。 用于制造NaxV2(PO4)3的合成方法可应用于具有类似化学性质的其他材料，为先进的储能技术开辟了新的可能性。 这反过来又会影响一切，从为我们的设备提供动力的更经济、更可持续的电池，到帮助我们过渡到更清洁的能源经济。我们的目标是找到清洁、可持续的储能解决方案，这种材料表明，钠离子电池可以满足现代技术对高能量的需求，同时又具有成本效益和环保性。 

    原文链接: Sunkyu Park et al, Obtaining V2(PO4)3 by sodium extraction from single-phase NaxV2(PO4)3 (1 < x < 3) positive electrode materials, Nature Materials (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-02023-7

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2024-12-material-sodium-ion-batteries-sustainable.html?deviceType=mobile
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相关报告

  • 《可持续、低成本的电池新材料-聚芘》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-05-02
    • 研究人员在实验室里制造了铝纽扣电池。电池外壳是用不锈钢材料制造的，并且内部涂有氮化钛，使其具有耐腐蚀性能。 一种新的导体材料和一种新的电极材料可以为廉价的电池铺平道路，从而为可再生能源的大规模储存铺平道路。 能源储存过渡依赖于技术，这些技术允许廉价的可再生能源临时储存电力。一个最有可能的选的是铝电池，它是由廉价而丰富的原材料制成的。 由功能性无机材料教授Maksym Kovalenko领导的来自苏黎世ETH和Empa的科学家们，都参与了这类电池的研究和开发。研究人员现在已经确定了两种新材料，可以为铝电池的发展带来极大的进步。第一种是耐腐蚀材料，用于电池的导电部件；第二种是一种新型材料，用于电池的正极，可以适应各种各样的技术要求。 由于铝电池中的电解液腐蚀不锈钢、黄金和铂，科学家们正在寻找耐腐蚀的电池导电材料。氮化钛是一种具有高导电性的陶瓷材料，可作为导体。Kovalenko解释道：“这种化合物是由非常丰富的钛和氮元素组成的，而且很容易制造。” 科学家们已经成功地在实验室里制造了由氮化钛制成的导电部件的铝电池。这种材料可以很容易地以薄膜的形式产生，也可以作为涂层，覆盖其他材料，如聚合物箔。Kovalenko认为，或许可以用传统金属制造导体，并将其涂上氮化钛，甚至可以在塑料上印上导电的氮化钛轨道。Kovalenko说：“氮化钛的潜在应用并不局限于铝电池。这种材料也可以用于其他类型的电池；例如，那些以镁或钠为基础的，或者在高压锂离子电池中。” 聚芘的分子结构 图片来源：Walter M et al.Advanced Materials 2018 第二种新材料可用于铝电池的正极。而这些电池中的负极是由铝制成的，而正极则是由石墨制成的。现在，Kovalenko和他的团队已经发现了一种新的材料，它可以在电池能量存储上与石墨竞争。它就是聚芘，一种具有链状（聚合物）分子结构的碳氢化合物。在实验中，样品材料特别是那些分子链以一种无序的方式聚集的物质被证明是最好的，Kovalenko解释说：“分子链之间还有很多空间。这使得相对较大的电解液离子能够很容易地穿过，使电池充电。” 含有聚芘的电极的优点之一就是科学家能够轻松改变材料的特性，比如孔隙度。因此，材料可以很好地适应特定的应用。Kovalenko说：“相比之下，目前使用的石墨是一种矿物。从化学工程的角度来看，我们不能改变他的特性。” 由于氮化钛和聚芘都是柔性材料，研究人员认为它们适合用于“袋状电池”（用柔性薄膜包裹的电池）。 能量转换电池 目前，越来越多的电能来自太阳能和风能。然而，当太阳不发光，风也不吹的时候，电力仍然需要，因此，需要新的技术，比如新型的电池，低成本的储存电能的方式等。尽管现有的锂离子电池由于其轻重量而成为电动汽车的理想选择，但它们也相当昂贵，因此不适合大规模、固定电力的存储。 此外，锂是一种相对稀有的金属，不像铝、镁和钠等容易获得。因此，基于后三种元素之一的电池被认为是未来固定电能储存的一个很有前景的材料。然而，这类电池仍处于研究阶段，尚未进入工业用途。
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  • 《“中国必须突破新材料核心技术” 干勇院士：新材料与新能源汽车》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-11-21
    • 2019年11月18-20日，由中共宁乡市委、宁乡市人民政府主办，宁乡高新技术产业园区管理委员会、宁乡市委统战部承办，起点锂电大数据、起点电动网、SNEC新能源企业家俱乐部联合主办的第5届中国（宁乡）新能源企业家年度峰会暨固态电池技术论坛（同期第5届起点金鼎奖颁奖典礼）在长沙宁乡通程温泉大酒店隆重举行。 来自300+电池厂/主机厂 500+材料设备企业领导相聚宁乡，共谋新能源产业发展。 在19日举行的开幕式论坛上，中国工程院院士干勇先生作《新材料与新能源汽车》报告。以下为现场实录： 图：中国工程院院士干勇 尊敬的旭明市长、钟利仁部长、主持人： 非常高兴来参加宁乡新能源产业3.0时代高端论坛，我在几天前刚到长沙参加了新材料协会论坛，上刚刚做了一个报告，是《制造强国的基础能力建设》，因为这是中材办交给工程院的任务，整个制造业发展有新动态和挑战。而新材料与新能源汽车，切合今天的主题，我改的比较匆忙，我是想交流一下。 工程院做工程科技发展战略时，本来就是战略咨询单位，是一个智库，像国务院和各个部委递交各种重大的工程战略咨询报告，国家科技发展和未来10到15年的全球格局和产业分工体系将发生深刻变革，产生基础能力提升。又根据新的材料和与美国全面的较量已经成为常态，下一步怎么办？所有的制造业强国的领域都是瞄准的重点，国际环境的深刻变化，美国优先、中美关系发生变化，是保护主义和我们的多边主义到连纵主义的较量。 一大批新技术将广泛应用，更多新技术突破继续涌现，通过网络通信和感知、工程控制、机器人、人工智能来提高我们先进技术的水平。 还包括高端装备，提了7个领域，一会可以看一下。还有新材料、生物、新能源，包括绿色环保和产业模式的变化，这里面就涉及到制造格局的深刻变化。以美国为首的发达国家想把新兴国家和资源提供国家进行打压。制造业比重方面，中国在下滑，发展动力不足，出现了过度去工业化的现象，占GDP的比重方面，较2017年下降了29.3%。资本逐利特性大量涌入房地产和金融业，产业结构仍处于中低端，产业附加值低，企业家对发展前景信心不足，中国10个银行的利润占了中国金融500强公司利润的50.7%。 还有一些核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人，包括产业的体系、算法、设计、代工、生态环境等，已经是核心短板中的重灾区，包括人工智能高端传感智能也垄断在国外的企业手里。我们统计了130多种高端技术材料，32%是空白，特别是信息技术的特种材料。 中国制造10个重点领域里面有7个领域，包括装备、数控机床、机器人航空航天、海洋工程、新能源汽车、电力装备、智能电网等，信息技术和新材料是基础，包括生命科学。现在信息技术和能源技术的发展，新材料的开篇已经有所变化，正在提升，现在提出“超高性能”“超高纯度”，这是新材料发展的特点，要做中长期的打算和战略安排，很多地方是拼命赚钱都赚不到钱，但是也砸，不砸就跟不上。 新材料是国家高端材料的壁垒，垄断性越来越强，日本东丽垄断了碳纤维，美国铝业垄断了飞机使用金属材料80%的专利。 学科的交叉，包括基础学科的突破，使材料有了新的变化，物理深度融合诞生了高温超导材料。 当然中国的材料体系非常完整，我们是大国，将近20多种材料在全世界的数量都是第一，钢铁占了52%，水泥占了56%。 数量和材料的专利的任务也达到了全世界第一。这些过程中，特别是锂电池、新型电池材料等发展很快。半导体照明、高性能钢材料等，我们都有长足的进步。 抢占未来制高点，新材料还在不断涌现，我们不能放过。转方式、调结构，由于重大工程、高端装备的需求，中国必须突破新材料核心技术。 高端新材料是重大工程成功的保障，材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。 最近正在做2030的重大课题专项，对新材料，中国的任务很重，这是强国的表征。数万台发动机在今后十年当中表现出来。 所有的制造业核心元器件的应用，这些高附加值产品往往都是国外提供，我们做集成、装配、加工中心。材料分成13类。 高端装备特种合金，先进钢铁，还有海洋的深海用材。 我们晚了20年，目前600度超强零件的基础中国改造了3亿多千瓦，占全世界80%以上，非常成功，而且出口占据国际市场的30%左右。 深海油气开采的关键材料，这些核心的高端空白，低端不能用。 高端装备，特别是轴承，包括汽车轴承、高铁轴承、数控机场轴承，几乎全部都是进口，160公里以上的动车组所有的高端轴承全部进口，每年高铁进口8万到9万套轴承。包括汽车自动变速器。 为了适应汽车批量化，中国吉帕级高性能汽车钢板，而且迅速占领了国际国内的大量市场，都是以强化为主，包括淬火配分，对汽车的轻量化起了决定性的作用，性价比非常好。车身制作284公斤，减轻了17%到29%的重量。 所以在与其他钢，其他国内外厂商，206家在应用，累计供货141万吨，占领国内市场超过60%。 高温合金，这是发动机核心材料，我也不谈了。 钛合金、铝合金，这里面已经制定了轻量化的规划包括先进民用飞机、海洋石油工程。 钛合金是非常遗憾的领域，钛合金的性能非常好，海洋、天空、陆地，这是第四代革命性的材料，轻，比强度高。但是长时间来，就在5万吨、7万吨徘徊，去年达到了7.4万吨，而且包括湖南的众多高端钛合金生产装备已经起来，但是很奇怪，钛在地球的储量是铜的80倍，全世界用钛合金在用到20万吨，在地球上什么储量最大，什么东西才便宜，像铁。只有钛储量多，但是价格昂贵。一定有一种低成本的技术没有被突破，现在正在找这种技术。原来使用镁还原得到海盐钛，中国的技术还在继续进行，我们走在前面。 镁合金，有两个问题，腐蚀性、强度，这两个问题都得到解决，丁院士在镁系统合金中采用各种技术，非常好的协同强化效应。包括耐蚀性，现在通过超声阳极氧化法，和镁合金完全一样，我们每年供应95%以上，国内的镁大量的应用，最近应用到20多万吨，每辆汽车上平均应用不到5公斤。所以希望通过一系列技术来减轻重量。 现在飞机上如果用镁合金将是极大的减重，镁合金有一个致命缺点高温自燃，所以波音他们最近签订了协议，美国的FAA计划将于年内取消商业飞机禁镁的禁令。 在高铁、地铁、摩托车、3C产品的应用，包括电池上的应用，镁干电池，海水激活电池，这非常有前景。 镁合金的弹性模量与人的骨头相当，易降解。我们希望10到15年后镁合金汽车行业用到150万吨左右，这是庞大的减重计划和目标，国家的轻合金制造创新中心正在筹备。 2020年要有20万吨左右用到车身板，到2050年大概有30万吨左右用到车身板。 铝加工，大型的铝的挤压件完全国产化，而且都是由很多民营集团来实现的。 新一代飞机大型整体式的结构件。高性能陶瓷与玻璃这里面对陶瓷材料不讲了。范景莲教授做了很多工作，最近2个陶瓷材料的院士，很厉害。 2020年需求预测，能量转化1.5万吨。新型高分子材料，民用交通和医疗卫生用聚烯烃材料，食品安全用钛系催化环保型聚酯。 高性能纤维与复合材料，碳纤维符合材料一定是各种交通工具应用的材料主体。国产化碳纤维低成本化，特别是汽车领域的应用，最近看到宁波所，他们在碳纤维汽车上面的应用做了大量的工作，中车也在大型的高铁上采用车体材料碳纤维的实验，将会为我们大规模的发展。 稀土新材料，资源第一、产量第一，是重要的战略优势资源，5月20号习总书记视察了基地，使用了4公斤的稀土，猛禽战斗机实现了超音速巡航功能。惯性导航的系统材料。 卫星、飞船的姿态控制、轨道调控都是材料的应用。先进战机多用发动机，包括机器人、数控机床。 包括了催化材料、高性能的稀土永磁材料用于全车数十个电机和传感系统，特别是磁动力系统。 现在在城际列车上大量应用，千瓦的电机已经出来节能18%到30%左右。 下一步创新点，是磁在新能源汽车里面得到大量的应用。 磁的创新点在哪里？磁动力体系上，永磁调速之后，中间可以是柔性连接，这样没有摩擦、没有接触、没有润滑。永磁轴承有悬浮轴承，应用转子动力学、机械学、电工电子学，无噪音、噪音小、耗能低。潜艇的隐身能力大大加强。 永磁制动，应用在电梯安全永磁制动系统、汽车永磁缓速器、轨道交通永磁制动器。 永磁齿轮、变速已经完全不用齿轮摩擦了。 所以永磁的产业非常大，我认为应该发展起来，磁产业应用方向，涉及战略性达9个门类。 混合动力技术可用于氢燃料汽车，这是非常好的方案。 每辆混合动力汽车要超过10公斤，价格很低，这非常有用。 包括催化剂，催化剂材料给我们压力很大，基础研究不足，国六突围，必须在轻稀土上打一个漂亮仗，在北京催化剂的研究院。 新型显示材料，主要是激光显示材料。 第三代半导体材料，支撑绿色、智能、泛在技术，满足国防安全、信息安全、智能制造、节能减排。第三代半导体的需求将会上来。美国2030年的用电，他与2018年相比，发电量降低11%。 新能源汽车发展趋势，美国DOE规划2020年到2025年，效率、密度、成本必须要达到新的高度，效率、电控达到98%，密度100千瓦每升，成本2.7每千瓦每美元。 所以第三代半导体优势就出来了，相比SI，有3倍的热导率，有3倍带宽度，10倍击穿场强，高电流密度、高开关速度高温，低导通电阻，冷却系统简化，更高效率。体积可以减少到三分之一到五分之一。系统的物料成本大幅度的下降。 电动汽车用功率半导体模块的占比，到2023年要达到50%。车联网和能源互联网是相通的，有巨大的结合作用，对国内碳化硅的发展历程，国家材料委员会和重大专项的编制组做了新的安排，所以电力电子技术启动，碳化硅6英寸产品成熟，国际有一些差距，但是我们的水平正在提升，包括株洲团队，他们在高铁的IPTV上做的很漂亮，在6寸的碳化硅上做了很多工作，20多家汽车厂商已经在车载充电机中使用碳化硅。主要用于电能转换、电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域，这是我们的方向。 绿色能源，2020年锂离子动力电池单体的比能量达到300万。新型锂离子电池，国家成立了锂电电池的创新中心，现在是在高容量三元材料大量应用，硅碳符合材料必须上来，可能突破350瓦时的能量，最后是全部钛电池已经接近成熟。探索富锂锰基固态电池，锂硫电池。 新能源汽车发展将推动全球能源资源需求发展重大变化。 全球新能源汽车产业已进入快速发展期，2035年中国新能源汽车产量将占汽车总产量60%。 全球新能源汽车产业进入高速发展阶段，2018-2035年，中国汽车产量将从2781万辆快速增至4600万辆，新能源汽车产量将从127万辆快速增至1700万辆。到2020年，新能源汽车产量将达到200万辆，新能源汽车的发展将使全球石油消费的顶点和提前到来，中国少用2亿吨石油，因为用电代替的石油，中国的电是用煤，所以是煤电转换比，威胁美国的石油体系，甚至影响俄罗斯、中东地区的经济发展，进而影响全球能源格局，这是新能源汽车带来的冲击，如果2035年达到这样的产能，中国石油消费顶点提前到来，拉动铝、铜消费的需求，将使铜需求量从8万吨增长180万吨。 锂、钴搭起了煤炭和石油转换的桥梁，是国家能源安全的重要组成部分。而且全球资源分布集中，国际市场垄断程度很高，所以我们要小心，垄断程度高于石油，现在到各个地方可以买到石油，但是钴、锂垄断性还是很厉害的，所以要培养世界级大新新能源汽车企业，实现汽车产业弯道超车。积极寻求境外石油合作开发，提高多元化供应水平，这里面潜力巨大。 我在每一次会议上都补充新能源电池，从氢还还原氧化铁，二氧化碳减到零，二次能源成本偏高，高碳向低碳发展这是必然的，在韩国召开的世界气侯大会委员会上，1888年到2018年，地球的维度提升了0.86度，这温度的提升，看气侯的变化非常奇特，非常恶劣的天气不断出现。所以到本世纪末，如果温度提高2度，最多1.5度，这是什么概念，10年之内要出现一圈北极冰没有了，2050年二氧化碳排放要大幅度减少，全球进入氢能时代，占能源比重的18%，所以氢时代的到来，固体能源到液体能源到气体能源的转换，从不可持续到可持续，从集中式到分布式，从多碳到无碳。减排60亿吨的温室气体。 氢能未来，抓住当下的机遇，他认为聚焦四个机会，充分利用现有的工业港口，将其转变为低成本、低碳、氢能的枢纽，支持运输车队、货运通道使产生更大的竞争力，柴改氢。国外氢能的发展我不说了，氢能作为极具发展潜力的二次能源，具备转换灵活、容易获取等特征，国际能源署和全球氢能委员会均发布的路线图和相关文件。 包括各国的氢能发展，2018到2050，我就不细说了，美国到3个30万辆，在路上跑的氢燃的汽车，现在现在只说到2030，100到150万辆。 如果作为基础设施部分，2030年到100万辆，大概是5000多座，每年需要大概400万吨所有的氢能利用。日本到2025年到3个30万台新燃料电池。 国内已经形成6个集群，完整的产业链正在形成。 京津冀、华东、东南、华北，动作非常快，因为各省的资源禀赋不一样，要因地制宜。为什么山东这么积极全省做规划，有两横两纵的交通线的氢走廊，化工大省，是因为氢气产能庞大，巨型车企引领，山东重工目前投500个亿建立氢能的平台。 山西每年6亿吨煤输出来，他准备将1亿吨煤变成氢气输到周边的省市。 四川，建设全国优质清洁能源。 海南，2030年不准燃油车进入海南，对氢能的发展已经全面的规划，内蒙也是，煤气也是丰富的。在氢的利用上，我认为是在中型卡车、大巴的应用，乘用车的布局非常困难，首先是要补贴下去。中国燃料电池汽车和氢能的现状，41家整车企业，56款燃料电池汽车车型，25家燃料电池系统公司。 港口的重型机械，也可以利用，重卡、柴油这是一个方向，集中布局氢燃料电池，全国汽车保有量，柴油车占了9.6%，但氮氧化物占了78%。 我们统计了每个港口的出货量，按每车运输30吨，柴油量巨大，氢气每个月120万吨，大量的减排。 唐山是非常好的例子，1.3亿吨的钢铁产能的物流巨大，首先用煤气来布局加氢站，所以国际商已经开始重卡了。 燃料电池现状不说了，最后主要是区域性的大格局，氢能的运输重要，管道运输的成本非常便宜，如果使用车，每年运输的成本24亿，材料方面不再说了，这也是材料大的产业，包括聚合物的气瓶。 国家目标的发展，CCM的纳米、微米复合材料的使用。 中国制造业与国外制造强国相比，新能源汽车，国际领先5类，通信设备、先进轨道交通装备、输变电装备、纺织、家电。 我的发言就到这里，谢谢大家。
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