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《【Advanced Functional Materials】新型储能结构：锥盘形碳材料推动钠离子电池发展》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2025-04-30

  • ?研究机构?：莱斯大学材料科学与纳米工程系（主导），贝勒大学、印度科学教育与研究学院（合作）

    ?研究人员?：通讯作者Pulickel Ajayan（莱斯大学教授）、第一作者Atin Pramanik（博士后）

    ?核心研究内容?：

    研究团队利用油气工业副产品合成纯石墨结构的?锥形和盘形碳材料?，突破钠/钾离子电池负极技术瓶颈。传统石墨因层间间距过小无法容纳大尺寸钠/钾离子，而新型碳材料通过?独特曲率与层间距设计?，无需化学掺杂即可实现离子的可逆嵌入/脱出。

    ?关键性能?：?

    • 钠离子电池?：初始容量达230 mAh/g，2000次快充循环后保持151 mAh/g；?
    • 钾离子电池?：性能弱于钠离子但优于传统石墨；?
    • 结构稳定性?：经低温透射电镜及固态核磁共振验证，材料在循环中保持形态完整。?

    创新意义?：?

    • 科学突破?：首次证实纯石墨材料可稳定储存钠离子，颠覆“纯石墨不适用钠电池”的固有认知；?技术优势?：原料成本低、工艺可扩展（基于烃类热解），推动清洁能源电池产业化；?
    • 战略价值?：降低对锂资源的依赖，缓解锂价上涨及地缘政治风险。?期刊信息?：发表于《Advanced Functional Materials》（2025年），DOI:10.1002/adfm.202505848。
    • ?研究展望?：团队提出“形态优先于化学改性”的新策略，为电池负极设计开辟全新路径，目标实现更普惠、可持续的储能技术。
    原文链接： Atin Pramanik et al, Graphite Cone/Disc Anodes as Alternative to Hard Carbons for Na/K‐Ion Batteries, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202505848

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2025-04-energy-storage-cone-disc-carbon.html
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相关报告

  • 《科学家发现钠离子电池阳极的储能机制》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-08-18
    • 来自斯科尔科沃科学和技术学院（Skoltech）和莫斯科国立大学（MSU）的科学家们确定了与钠离子电池（SIB）阳极材料中的电荷存储相关的电化学反应类型，这是一类很有前途的新型电化学电源。他们的研究结果以及该团队开发的阳极制造方法将有助于使SIB在俄罗斯及其他地区的商业化进程更加接近。该研究发表在《Electrochimica Acta》上。 　　如今，锂离子电池（LIB）是最受欢迎的电化学电源，被广泛应用于从手机（几瓦时）到发电厂的缓冲系统（数百万瓦时）的各种领域。对锂离子电池的需求和存储设备的平均尺寸都在不断增长，然而这种增长趋势却遇到了多重障碍，如锂盐的高成本、全球锂储量有限以及各国含锂矿床分布不均等。为了克服这些障碍，包括俄罗斯在内的全球科学家都在研究SIB，这种替代技术可能会挑战LIB和广泛使用的铅酸电池。 　　钠是地壳中第六大常见元素。与锂相比，其盐类的价格要便宜100倍左右。虽然在化学性质上与锂相似，但钠还有其他的区别，这就需要在SIB设计中采用新的方法。电池由三个主要部分组成：阴极、阳极和电解质。阴极或电解质的成分和结构有广泛的多样性，而阳极仍然是一个绊脚石。成功用于LIB的石墨不能用于SIB，因为碳六边形和钠阳离子的尺寸相差太大，无法提供夹层。硬碳似乎是唯一可以真正用于阳极的材料。由扭曲的石墨状层的不规则排列形成的硬碳表现出与LIB中的石墨相当的钠离子存储性能，然而仍然不清楚为什么以及如何发生这种情况。 　　"关于钠如何被引入硬碳中，有几种假说。在我们的研究中，我们验证并稍微扩展了其中的一个假设。我们发现，硬碳表现出夹层型行为，以积累大部分电荷，这是个好消息。夹层正是电池所需要的，而与 "假电容 "相关的表面过程则是超级电容器的责任，它在化学电源中形成了一个非常狭窄的发展空间。有趣的是，我们的日本同事，也是我们的主要研究者和MSU博士生的研究导师Zoya Bobyleva一开始就持有完全不同的观点。他是世界上SIB和硬碳领域的顶级专家之一，我们很难说服他我们是对的，但我们做到了!"Skoltech能源科技中心（CEST）和MSU的项目负责人和高级研究科学家Oleg Drozhzhin说。 　　去年，诺贝尔化学奖授予了三位 "开发锂离子电池 "的科学家。其中一位获奖者要归功于硬碳，这种负极材料在大约三十年前给锂离子电池技术带来了生命，后来被石墨取代。现在，硬碳可以再次催生一项新技术。 　　"这项工作非常了不起，不仅展示了硬碳在钠离子体系中的工作原理，而且找到了一种方法，可以生产出与LIB中石墨容量相当的超过300mAh/g的硬碳。创建和优化一种新的方法需要付出很多艰辛的努力，而这些努力通常都停留在幕后，几乎没有在科学论文中报道过，所以对我们来说，展示最终的成果很重要：我们成功地制造出了好的SIB阳极材料，我们知道它们是如何工作的。"MSU化学学院电化学系主任、Skoltech教授Evgeny Antipov评论道。
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  • 《钠离子电池铁基电极材料研究进展》
    • 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：2018-03-07
    • 钠离子电池由于资源丰富、价格低廉、环境友好等优势，逐渐成为储能电池领域的研究热点。开发低成本、高性能和稳定的储钠正负极材料是钠离子电池应用的关键。近年来，大量的储钠正负极材料已被报道，一些材料的性能已接近应用要求，为钠离子电池的发展提供了基础。在这些材料中，铁基电极材料由于具有成本低、结构多样、安全稳定等特点，被认为是大规模储能电极材料的理想选择。 　　近日，武汉大学曹余良教授课题组以“Recent Progress in Iron-Based Electrode Materials for Grid-Scale Sodium-Ion Batteries”为题在Small上发表了综述文章，文章系统地总结了铁基电极材料在钠离子电池的应用性能，具体讨论了含铁的氧化物、聚阴离子、亚铁氰化物、硫化物、磷化物等电极材料的结构及其储钠行为。同时，对材料的电极反应机理、材料结构-组成-性质关系、提高材料性能途径、材料发展方向等方面作了系统分析和总结。 　　 　　从综述内容看，铁基正极材料具有多种结构形式，而这些铁基正极材料表现出较高的能量密度，如Na2MnFe(CN)6和 Na2CoFe(CN)6材料具有~525 Wh/kg的比能量（相对于金属钠负极），与一些锂离子电极材料的能量密度相近（Li/LiFePO4, 510 Wh/kg; Li/LiCoO2, 530 Wh/kg; Li/LiMn2O4, 429 Wh/kg），具有非常潜在的应用价值。同时，聚阴离子材料（NaFePO4，Na2FeP2O7和Na3Fe4(PO4)2(P2O7)等）由于具有较为稳定的框架结构，导致其优异的热稳定性和循环稳定性，这为开发低成本和安全的钠离子储能电池提供了可选材料体系。铁基负极材料主要表现出转换反应的储钠机制，设计合适的电极结构（如导电碳骨架和纳米化），可以有效地提高材料的电化学性能。然而，许多铁基电极材料的性能与理论值还有较大差距，表明仍具有继续提升其性能的潜力，还有许多工作有待深入研究。 　　相关工作发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201703116)上，并于当期Front Cover作简要介绍。
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