基于钠离子反应的清洁储能电池体系

Sodium-ion batteries have potential advantages of widespread materials availability, low cost and environmental benignity, ideally for large scale electric energy storage applications. However, development of Sodium-ion technology has long been hindered due to the structural stability and sluggish kinetics of Na ions in most of the rigid lattices of inorganic compounds. In previous studies, we found that Na ions can undergo reversible alloying or intercalation reactions on a number of host materials, thus enabling them to be used for high energy density Na-ion batteries. This project is planned to investigate systemically anodic Na-storage reactions on electronegative elements and their compounds, Na-insertion reactions in large-channeled hosts and Na-doping reactions in flexible electroactive polymers, so as to develop three types of advanced Na-ion batteries using organic electrolytes, aqueous electrolytes and all-organic materials. The aims of this project are to reinforce our leading position in Na-ion technology, advancing the electrochemical research in china, and also to demonstrate a couple of clean and low cost Na-ion battery systems for large scale electric storage applications, promoting the innovative and commercial development of renewable energy technologies in China.

钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好等显著优点，是理想的大规模储能体系。由于钠离子在大多数晶体化合物中的结构稳定性和动力学障碍，钠离子电池的发展一直未能获得突破。我们发现，在许多结构不同的材料体系上，钠离子能够实现高效、可逆的电化学合金化反应和嵌入反应，从而可以构建高能量密度的钠离子电池。本申请拟系统研究电负性元素及其化合物的负极储钠反应、在大隧道结构化合物中的嵌入正极反应、在柔性导电聚合物中的掺杂反应；在此基础上发展合适的正负极材料体系，构建基于有机电解质、水溶液电解质和全有机材料的三类代表性钠离子电池。通过本项目的实施，一方面可以加强我国在钠离子技术这一新领域的先发优势，为我国电化学学科的发展开拓新方向；另一方面，所构建的清洁、低成本的钠离子储能及动力电池可为大规模应用提供先进的示范体系，促进我国新能源领域的技术创新和应用发展。

本项目按照任务书的任务，对储钠无机正负极材料和有机电极材料进行的研究，并考察了其在水系、有机系电解液体系和固态电解质体系的电化学性能，发展了一系列储钠电池体系，为储钠二次电池发展提供了参考。主要内容包括：研制了三类嵌钠正极材料（普鲁士蓝、氧化物正极和磷酸盐材料），重点分析了普鲁士蓝基正极材料的储钠构效关系，并采用控制结晶法调控了其隧道结构；开发了酰亚胺类有机晶体、纳米花型有机羧酸盐和S@pPAN复合物三种有机/聚合物储钠材料，并阐明了各自的储钠机制；发展了基于普鲁士蓝类正极/钛基负极和聚合物的全有机电极水溶液钠离子电池，其中有机/聚合物钠离子电池体系能量密度高，循环寿命长，展现出极好的应用价值。同时研制了固态钠离子电池，该固态钠离子电池在摩擦纳米发电机电能储存中表现出优异的循环稳定性。这些成果为下一步开发适用于规模储能的钠离子电池奠定了坚实的基础。项目执行期间，发表重要学术论文58篇，申请中国发明专利12件，授权美国发明专利2件；参与国内国际学术交流22人次；培养博士后1名，博士生10名，硕士生9名。