東京理科大等開發出超高容量鈉離子電池用碳負極材料

2021-02-23 客觀日本

本文根據東京理科大學成果發布編譯整理而成。

東京理科大學理學部第一部應用化學科的駒場慎一教授（責任作者）、理學研究科化學專業的神山梓（碩士畢業，第一作者）和研究推進機構綜合研究院的久保田圭委託副教授，與日本物質材料研究機構（NIMS）能源環境材料研究基地的館山佳尚組長、NIMS的博士後研究員Youn Yong以及岡山大學研究生院自然科學研究科的後藤和馬副教授等人組成的研究團隊，成功合成了容量遠遠高於以往的鈉離子電池負極材料的硬碳（難石墨化碳）。有望實現以該材料為負極的高能量鈉離子電池。

硬碳在可逆容量（可用容量）、作用電位、循環壽命和資源豐富性方面取得了良好的平衡，是最有潛力的鈉離子蓄電池負極材料。研究團隊對葡萄糖酸鎂（Mg（C6H11O7）2）和葡萄糖的混合物進行加熱，得到了氧化鎂（MgO）顆粒並以此為鑄模，通過這種合成方法，成功合成了容量遠遠高於以往的碳負極材料的硬碳。為最大限度提高硬碳的可逆容量，對硬碳的合成條件和電化學特性進行了系統的研究。

具體來說，首先以600℃的溫度對混合物進行預處理加熱，在生成的碳基體中形成了納米尺寸的MgO顆粒，之後通過用鹽酸進行清洗並以1500℃的溫度進行高溫熱處理，製成了擁有大量納米級空位的硬碳。利用該材料作為負極的鈉電池實現了478mAh/g的超大可逆容量，初次充放電的庫侖效率（表示充放電效率的指標之一，可有效提取的放電量與充電所需電量之比）也高達88％。即使與鋰離子電池的負極材料石墨的理論容量（372mAh/g）相比，此次開發的MgO鑄模硬碳的容量也非常高，假設使用相同容量和電位的正極，與負極使用石墨的鋰離子電池相比，使用硬碳的能量密度比要高出19％（圖1）。

圖1：鋰離子電池負極材料石墨的理論容量（藍色）與新開發的MgO鑄模硬碳的容量（紅色）。

採用資源豐富的鈉的鈉離子電池不使用稀有元素和有毒元素，有望作為蓄電用大型蓄電池使用。與鋰離子電池相比，鈉離子電池在材料資源方面佔優勢，但能量密度一直存在課題。通過在負極使用此次合成的高容量和高能量密度硬碳，有望實現高能量密度的鈉離子電池。

圖2：此次合成的硬碳與既有負極材料的工作電位、容量和能量密度的比較。

【論文信息】
題目：MgO-Template Synthesis of Extremely High Capacity Hard Carbon for Na-Ion Battery
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：10.1002/anie.202013951

編譯：JST客觀日本編輯部

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