2024中國（無錫）鈉電池產業生態圈企業家峰會現場
電池百人會-電池網7月24日訊（林音 肖何 江蘇無錫報道）“我國是鋰離子電池制造大國，擁有全球最大的鋰電池產能，2023年生產了全球73.8%的鋰電池，然而鋰資源對外依存度高，以及碳酸鋰的價格波動，都不利于我國鋰電池產業健康快速發展。”中國科學院物理研究所副研究員謝飛表示，鈉資源豐富、分布廣泛，且容易獲取，生產裝備與鋰電池兼容，因此，在我國發展鈉離子電池意義重大。
7月24日，由中關村新型電池技術創新聯盟、中國電池網主辦，無錫市錫山區人民政府指導的“2024中國（無錫）鈉電池產業生態圈企業家峰會”在江蘇省無錫市錫山區舉辦。本次峰會以“共筑鈉電生態 共享產業機遇”為主題，聚焦鈉電池及儲能產業前沿技術、發展模式、投資布局、產業鏈構建、市場應用及未來趨勢，共同探索產業高質量發展之路，推動上下游供需共振，助力產業創新升級。
中國科學院物理研究所副研究員謝飛
24日下午，謝飛在會上發表了題為“鈉離子電池關鍵材料及界面研究”的主題演講，分享了如何提升無定形碳負極可逆容量及首周可逆性等，電池網摘選了其部分精彩觀點，以饗讀者：
“鈉離子電池飛速發展，具備長壽命、寬溫區、高倍率、易制造、低成本、高安全等明顯優勢，這些特性使得鈉離子電池在新型儲能和電動汽車領域具有巨大的潛力。”同時，謝飛指出，鈉離子電池未來性能提升、以及應用場景優化，最關鍵的核心點在于正極、負極、電解液這三個部分。
謝飛表示，對于正負極材料來說，有各自不同的技術路線和體系，負極材料最主流的是無碳型材料，還有有機、氧化物、硫化物等等不同技術路線。其中，無定型碳材料是主要的。
“無定型碳材料在結構的調控以及結構與性能之間的構效機理上，研究有一定的困難。如何在整個研究和改性過程中，清晰的理解內部的機理，對于指導材料的研究設計是比較有幫助的。”謝飛進一步指出：“我們一般關注一些性能指標，比如說容量、倍率、循環性能等等，同時還有首周庫倫效率，代表了首周的可逆性，如何在設計優化碳材料過程中，能夠提升可逆容量和首周庫倫效率，是研究的重要方向。”
如何提升無定形碳負極可逆容量及首周可逆性？謝飛從閉孔結構調控、石墨微晶區/缺陷/雜原子等微觀結構調控、雜原子構型篩選、前驅體含氧官能團的影響、動力學調控改善碳負極界面等方面展開分析。
在閉孔結構調控方面，謝飛指出，通過把軟碳和硬碳結合起來，利用軟碳堵塞開孔制造閉孔，可以讓比表面積大幅降低，同時，硬碳和軟碳復合材料產生協同儲鈉效應，讓鈉電池可逆容量和首周庫侖效率提升。
在石墨微晶區/缺陷/雜原子等微觀結構調控方面，謝飛介紹，可以在水熱炭化法上層清液中提取碳點，這些碳點與傳統水熱碳在形貌和石墨微晶結構上具有顯著差異；通過比較，發現碳點衍生硬碳材料具有更低的比表面積、雜原子含量和缺陷濃度，同時，碳點衍生硬碳負極材料還具有與水熱碳相近的可逆比容量和超過90%的首周庫侖效率，從而讓全電池能量密度提升14%。
在雜原子構型篩選方面，謝飛表示，斜坡碳具有較高的電位、更快的離子傳輸動力學和更高的安全性，但同時，鈉電池大部分的不可逆容量來源于斜坡段，如何同時保證高的斜坡容量和高的首周庫侖效率？其認為，使用NaH2PO4進行P/O共摻雜，并結合二次炭化進行雜原子構型篩選，可保留，甚至提升可逆構型（C=O，PO23-/PO43-）及自由基，減少不可逆構型（C-O，PO3-）。
通過上述方法，負極材料不僅可實現高斜坡容量（250 mAh/g）與高首周庫侖效率（80%）的平衡，還具有出色的倍率性能，20C下仍有50%容量保持率。
在前驅體含氧官能團的影響方面，謝飛指出，A-COOH 1400比A-OH 1400結構無序度高且含有更多的缺陷、雜原子和微孔含量。通過兩者碳化前后對比發現，A-COOH 1400因前驅體含有較多的鏈間氧和非環內不飽鍵的含氧官能團，展現類似硬碳儲鈉行為，A-OH 1400因前驅體中含有環內不飽和鍵含氧官能團、C-O-C或環外羥基，展現類似軟碳儲鈉行為。
在動力學調控改善碳負極界面方面，謝飛表示，高溫處理的軟碳材料具有較低的比表面積、缺陷/雜原子含量，但首周庫侖效率異常低。對此，其指出，造成這一情況的原因或是界面演化過程中產生額外SEI成分，主要含F有機物，同時，較差的鈉離子擴散動力學導致“假死鈉”行程，誘使額外的電解液分解而導致首周庫侖效率異常低。其表示，解決上述問題，團隊適當引入了缺陷可改善鈉離子動力學，改性后發現，界面改善，無含F有機物成分生成，同時，適當的缺陷濃度可保證負極體系較低的費米能級。
最后，謝飛總結道：閉合孔隙調控對首周庫侖效率及可逆容量的影響至關重要；其他微觀結構如石墨微晶區、雜原子、缺陷等也是影響碳負極性能的關鍵因素；前驅體中官能團對炭化過程中雜原子構型的交聯形成也有直接影響，進而影響性能；鈉離子動力學的提升可改善界面演化過程，提升碳負極材料可逆性。
（以上觀點根據論壇現場速記整理，未經發言者本人審閱。）
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