撮要

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总结

由于风能和太阳辐射的可哄骗性不一致，可复活动力的精深采取变得更为繁杂，在化石燃料和核机电被完整取代以前，需求大批的能量贮存。在暂时为餍足对储能技艺日趋延长的需求而开展的比赛中，钠离子电池的进展末端于锂离子。钠离子电池有几个值得寻觅的上风，它们能够避让供给束缚和成本补充。电解液/电极界面反响的可逆性对二次电池（便可充电钠离子电池）的效率和经久性相当急迫。做为钠离子阴极、阳极和电解质溶剂，科学家曾经并将接续提议各式各类的材料组合，但这些筛选关于钠离子电池资产化的可行性仍旧是钠离子开垦商商酌的核心。

虽然可充电钠基电池是在20世纪70岁月以前提议的，但初期策画的高办事温度（~°C）阻塞了它们的运用。近来，动力储备需求的空前延长——从年的10GWh延长到年寰球猜测的GWh到GWh——接续高出任何简捷现有技艺的供给束缚。虽然暂时可用的可充电电池系统的确供给了多种储能束缚计划，但大普遍商用电化学电池都含有多种动力麋集型、高度易燃和/或有毒材料。因而，牢固式储能的合适束缚计划必需优先改正运转平安性和处境可赓续性，并联合低成本的可平添性。钠离子电池的撑持者通常强调与这类电池关联的精深可用且便宜的材料，以及平安上风，如零充电时的不变性。但是，暂时的钠离子电池策画采取了很多雷同的无益电解质溶剂，包罗高度易燃的碳酸盐和碳麋集型化合物，如率先的行业准则锂离子镍锰钴氧化物（NMC）电池中的热解阳极材料。由于钠化合物的自然充分性，钠离子电池材料每每也被觉得具备固有的成本上风，但这一经济效力尚未完结。

构造

钠离子电池能量密度低的一个因为是钠的原子量比锂高，但这些元素占电池整体积的比例不到1%。比拟之下，集流体的原料对电池总分量的进贡很大；与锂离子阳极不同，钠离子阳极能够运用密度较低的铝而不是铜做为集电器。再加之可复活动力装配对铜的需求更高，与锂离子比拟，这类取代是钠离子的进一步启动力。钠离子电池策画每每运用与锂离子电池中近似的前体材料，包罗六氟磷酸盐（PF6）的氧化复原活性盐，跟着锂离子临盆的延长，其成本赶紧补充。比拟之下，由于这些化合物的精深的地舆散布和多种索取办法，对钠盐的需求不太或许致使成本摇动。虽然这两种电池表率的电化学景象一向存在差别，如钠-石墨烯之间的不利彼此影响节减了选定的碳酸盐溶剂分子，但电解质成份的跨平台调动仍旧存在。

理论阴极容量低于阳极材料的容量，但在职掌上，电池功能遭到阳极界面钝化层（称为固体电解质界面（SEI））的束缚。与锂离子阳极比拟，钠离子阳极上的SEI不太不变，这增进人们接续协商取代化学物资，比如基于二聚体的电解质，以孕育比普遍碳酸烷基酯溶剂中更好久、更平匀的SEI。增加剂通常被用于不变SEI，进而抬高轮回寿命，与锂离子准则碳酸氟乙烯酯（FEC）比拟，亚磷酸三（三甲基硅基）酯（TTSPI）和碳酸乙烯酯（VC）显示出更好的容量维持率。硬碳仍旧是钠离子阳极的准则筛选，虽然取代材料或许会改正不行逆容量损失和SEI消融性；包罗做为活性电极材料的金属合金或榜样碳酸烷基电解质溶剂的醚取代物。暂时在钠离子电池策画方面的大普遍协商旨在经过提议新材料和化学增加剂来抬高容量，而调换电池建造工艺的时机却鲜有报导。

钠离子电池配方

建造钠离子电池的第一步每每包罗将粉末搀杂到溶剂中，这合用于电极和电解液的建造。原材料，如电极/电解液配方成份或其前体，每每能够从贸易化学品供给商处购买，尽可能节减批次间的改观和杂质。比拟之下，用于将这些材料搀杂在一同的技艺或许因熟练者而异。比如，电极浆料的平匀性和加工技能取决于悬浮在粘合剂溶液中的固体颗粒的彼此影响，进而引入了一系列额外的优化变量。

大普遍协商和贸易运用中的钠离子电池运用的是液体电解质，由消融在搀杂溶剂中的氧化复原活性钠盐构成。经过浸透到固体电极的孔隙或潮湿，液体电解质补充了电解质/电极界面的活性表面积。比拟之下，凝胶齐集物或陶瓷电解质的进展能够在平安、建造简捷和有用性方面供给上风。钠离子电池和锂离子电池的固体电解质重要有3种表率:固体无机/陶瓷电解质(晶体或玻璃)、有机齐集物电解质和搀杂固体电解质(将无机无机电解质与齐集物或液体电解质搀杂)。

锂离子电池和钠离子电池中运用的准则电解质溶剂每每需求在增加盐以前加热和预搀杂，盐每每不会消融或孕育不变的悬浮液。因而，电解液搀杂技艺会影响电解液中盐浓度的明确性，进而决议活性离子的可用性；是决议电池功能的重要要素。搀杂这一主旨或许是全数电池临盆经过中商议起码的。

因而，钠离子电池开垦商该当对阴极或阳极浆估中的任何新材料的搀杂参数停止多变量优化，以最大限度地抬高电极的电化学功能。锂离子协商的大批凭证表明，不但要调换粘合剂、活性材料和导电增加剂[的愿望比例，还要调换搀杂强度和它们增加到浆估中的次序，这或许会对电极的宏观结讲和电化学功能孕育宏大影响。假使在搀杂后，在涂覆和干枯以前，当让浆液停止时，也能够经过组分间联合的松驰来观测到浆液粘度的改观。这类时候改观是协商处境中反复性的另一个阻滞，电池临盆环节不太或许主动化。

其它，浆液的粘度、表面张力和分别不变性等特点直接关连到宏观和纳米级颗粒与颗粒之间的彼此影响。这些彼此影响能够经过运用流体剪切力、热、共溶剂或搅拌后停止来管制。因而，在搅拌经过中，温度、湿度、时候、速度、设立表率以至物料的参加次序对浆料的全数冲锋粒度散布、平匀性和抗剪性都有影响。锂离子熟练的凭证表明，这些目标也影响电极干枯后的电化学特点。

涂覆和干枯

搀杂后，每每将电极浆料铺在薄金属箔（每每称为集电器）上，而后干枯成固体膜。泥浆的物理化学性质影响其对摊铺和干枯参数的反响，每个阶段的弊病或许显露为电化学功能的弊病。因而，最大限度地抬高薄膜特点的反复性和平匀性关于评价所用电极材料的的确电势相当急迫。

钠离子协商每每需求运用熟练室办事台巨细的设立小数量临盆钮扣巨细的电极，而不是用滚轧死板建造的宽幅贸易板材。以小体积测试材料搀杂物是初期开垦的正当办法，钠离子协商人员偏向于采取涂层办法，如刀片或棒材摊铺。在对圆形样本停止钮扣电池测试时，能够有筛选地避让极片中任何显然的视觉弊病。但是，在涂覆单个薄膜（每每称为“下拉式”涂层）时筛选的集体技艺将影响全面电极的平匀性以及电极之间特点的可反复性。一种罕用的涂覆设立是刮墨刀，它供给了一个丈量的空隙，在涂覆经过中能够经过该空隙束缚浆液固定。由此孕育的泥浆聚集将取决于几个附加变量，包罗叶片挪移速度、与基材的附出力和流变特点。倘若与主动涂层装配联合运用，则能够更无误地管制刀片速度，虽然有用的表面遮盖也请求浆料粘附在集电器上，并抵当结球的趋向。这在运用CMC粘合剂的水性泥浆中格外有题目，思考到水的高表面张力（72mNm，此中或许会为产业临盆经过补充成本。）。由于钠离子协商每每将电极浆料运用于高纯度铝，因而或许不需求对基材停止预束缚，因而，惟独在需求避让已区别浑浊物的景况下，才应运用这些程序。还能够采取等离子体或电晕束缚来抬高浆料的附出力。

浆估中的溶剂挥发致使涂层在涂覆后急忙发端干枯。这类挥发经过每每会跟着温度、气流或两者的联合而加快。在产业范围上，一个接连的电极卷顺着一系列主动化设立停止干枯，这些主动化设立可策画用于对基板停止束缚。准则熟练室设立也可用于筛选不同的温度，以便在干枯经过中接连运用，但大普遍协商偏向于在濒临°C的简捷温度下歇宿。这类常规或许是由于熟练室手套箱上有真空热调换室，也许与贸易建造比拟，成本和时候承当低落。但是，包罗藐小运动和悬浮颗粒再分派的景象直接遭到干枯参数的影响，进而影响临界薄膜特点，如附出力。

在干枯经过中，密度较高的颗粒在重力影响下降降到集流体上，而密度较低的粘合剂则偏向于聚集在上表面。该梯度低落了基底处的粘合剂浓度，在该基底处最需求的是增进薄膜与集流体的粘附，并在电化学轮回期间缓冲该界面处的死板应力。较高的干枯速度会加重分别力，如沉降和粘度高涨，同时束缚可经过分散停止订正的溶剂，进而补充梯度。在电池运转期间，粘合剂迁徙孕育的附出力损失会致使电极从集电器上剥离，因而，在不束缚建造时候的景况下，应将干枯速度降至最低。这在NMP基泥浆和水性泥浆中都有显露，虽然溶剂挥发和粘合剂存在差别

筛选干枯参数时应试虑化学要素。偶尔会采取额外的干枯后加热环节，以保证残剩水完整挥发，这或许会侵害电化学活性，假使是微量的。这以至合用于非水溶剂基泥浆，由于干枯后吸附在膜表面的水蒸气会与电池电解液产生反响，进而干与电化学效率。与初始电极干枯同样，终究“烘焙”经过所需的时候和温度应经过每个系统的验阐明验断定，由于有益参数将取决于电极宏观组织。

通罕用于在熟练室范围上铺展电极膜的技艺：（a）流延成型和（b）刮刀涂层。

电极预束缚

干枯的阴极和阳极极片每每厚度在50μm到μm之间，偶尔会被切割，并急忙用于熟练，如钮扣电池或可反复运用的Swagelok型电池。干枯后，还能够急忙测试薄膜的宏观组织特色，包罗扫描电子显微镜和能量色散X射线解析，以评价粒子间的关连和成份散布。基于电池功能的抬高，锂离子临盆商以至在成本较高的处境中也采取了额外的干枯后束缚环节。因而，钠离子协商人员应断定每种电极配方怎样调换压延、电极潮湿和SEI孕育等经过，以供给可量化的上风。

压延是锂离子电极建造中的准则做法，以抬高能量密度和组织平匀性。干枯阶段挥发溶剂留住的气隙为电解液填充供给了须要的闲暇，但过量的孔隙率会影响电极能量密度、附出力和轮回不变性。按压薄膜会低落孔隙率，同时补充与集流体的彼此影响。配置压延辊的最好压力、速度和温度取决于物理化学性质，如粘合剂授予的颗粒间粘协力和弹性。这些特点随材料配方和初期加工环节的不同而不同，因而针对一种电极表率考证的压延参数不太或许愿望地合用于其余系统。由于这些参数的筛选更为繁杂，压延强度或许以空隙巨细、紧缩力或揣度的电极孔隙率为单位停止汇报。设立策画的差别，包罗辊子速度和直径，也会影响压延设立对薄膜施加的压力。这些变量使协商之间的较量变得繁杂，阻塞了日历办法的准则化。

电极辊压和潮湿经过的示用意

压延后，依据电池尺寸将干电极切割成巨细和形态，而后组装成电池。电池部件与电解液的饱和（称为潮湿）是使活性电化学界面最大化的关键环节。潮湿技艺差别很大，以至在运用雷同材料和电池巨细的熟练组之间也是这样。比如，组装前预浸电极和带有电解液的分别器有助于钮扣电池的协商，而一些集体也发起将电解液运用于集流体的外貌面。比拟之下，组装后布满电解液的袋式电池或许需求屡屡“加满”，由于从电池一侧注入的液体逐步浸透到全面电极长度上，也或许需求施加真空以加快微孔中气泡的释放。推迟潮湿在贸易经营中存在成本劣势，这驱策了潮湿率探望办法的进展。来自这些锂离子电池协商的凭证表明，关于不同的材料-电解质组合，潮湿不够和比拟阈值会直接影响功能，这对钠离子协商也有影响。在向电解液中增加染料后，经过辐射或光学监测，能够看到经过软包电池的潮湿经过，但必需考证任何增加剂不会改观液体原料，如粘度和表面张力。

锂离子和钠离子电池（EC和PC）中准则碳酸盐电解质溶剂的高粘度和表面张力不利于有用潮湿，增进运用低粘度溶剂（DMC、EMC）和基于用处的增加剂，包罗表面活性剂以至水。在电解液填充经过中抬高温度（从23°C抬高到55°C）也能够经过低落粘度来抬高潮湿率，与引入额外溶剂比拟，浑浊或电化学副反响的危害更小。孔隙率和孔形态也激烈影响潮湿效率，因而，压到高密度的电极需求更永劫间才气潮湿。加工经过中的紧缩力也会致使电极膜中更深的孔隙并拢，进而孕育无奈用电解液潮湿的电化学惰性闲暇。理论上，笔直于集流体的愿望孔隙枚举能够经过优化潮湿和活性表面积来避让这类“死区”，但这类纳米组织需求特地的加工，具备贸易范围的成本影响。假使在临盆时候不受束缚的景况下，对电池润泽的理解也是明确评价电化学功能的先决前提。比如，发觉PVDF在电解液来往时膨胀，致使看来变形，比如钮扣电池电极迂曲。组装前或组装经过中的潮湿表面容许经过看来的饱和迹象停止观测，钮扣电池熟练策画师能够哄骗这类技能来管制电解液的体积和散布。钠离子协商中的隔阂每每与贸易锂离子电池中运用的准则材料相般配，包罗聚吡咯或聚乙烯等齐集物纳米纤维消光材料，可经过接枝或辐照束缚以巩固离子导电性。因而，钠离子电池协商人员能够从一系列隔阂表率中停止筛选，无需在熟练室进一步束缚便可运用。比拟之下，为钠离子电池开垦新式隔阂每每需求特地的束缚设立，如静电纺丝，以赢得愿望的纳米组织。

隔阂中的孔必需满盈小且委曲，以阻拦枝晶成长，但这会在潮湿经过中束缚液体电解质的固定。与电极同样，隔阂的潮湿时候取决于孔隙率和电解质粘度，未潮湿的表面会阻塞电池的电化学活性。当协商人员筛选隔阂材料时，除死板强度和热平安性外，还应试虑潮湿效率。隔阂潮湿性也会遭到所选氧化复原活性盐的离子性质的影响，自力于电解质流变性，这进一步表明白针对特殊电池配方和尺寸对潮湿性停止系统优化的正当性。量化潮湿效率的一种有用办法是电化学阻抗谱（EIS），它能够在潮湿期偶尔以后运用准则恒电位仪设立。虽然EIS是一种相对赶快且无创的办法，用于评价细胞微孔的潮湿性，但应注重运用，由于假使是很小的输入电流记号也会改观界面反响速度，或许会影响着末一个束缚环节中受控第一次充电孕育的SEI。

论断

钠离子电池时时在组装以前在独自的设立中创立，假使在协商熟练室范围下也会搀杂多变量要素。在搀杂材料、干枯、而后用电解质压抑和潮湿电极时筛选的参数会影响所得电池的死板、电气和化学特点。由于插层阳极界面的敏锐性，假使在着末一步、SEI孕育和测试期间对轮回前提停止藐小调换，也或许会影响电池容量维持率。由于每个环节的效果都市影响全数后续经过的输入，因而电极浆料搀杂和干枯的初始职掌或许是最难经过与电池能量密度和轮回寿命等功能指目标因果链接来优化的。

电解液会影响电池的死板、电气和化学特点。由于插层阳极界面的敏锐性，假使在着末环节（SEI孕育和测试）中对轮回前提停止藐小调换，也或许会影响电池容量维持。由于每个环节的效果都市影响全数后续经过的输入，因而电极浆料搀杂和干枯的初始职掌或许最难经过与功能目标（如电池能量密度和轮回寿命）的因果关连停止优化。由于颗粒间化学、流变学和热力学之间的繁杂依赖关连，没有一个简捷的公式能够运用于浆料成份和程序变量的组合。

总之，做家倡议协商人员格外注重如下束缚注重事变：

（1）当搀杂电极或电解液成份时，应依据初期特色评价一系列速度和赓续时候。这或许包罗评价颗粒落空或干枯后薄膜宏观组织的保守办法，而粘度和表面张力等目标或许是大范围临盆有用性的有代价目标。

（2）除了平衡熟练单位的功能外，还应汇报雷同单位效果的反复性。干枯后的电极或不同时候点运用的电解质的导电特点，能够运用基础的两点或三点电化学办法（如EIS）赶快停止，以监测从潮湿到SEI成长的界面景象。在长久轮回以前评价这些目标有助于钠离子材料的特定阻滞消除，并指出电池可变性的关键起因。

（3）在钠离子测试中，应正当筛选c-速度和电压窗，以创立对该主旨的理解。温度、CC-CV阈值和轮回周期间中止期等参数在协商中都是很急迫的，由于这些参数会影响新电池的丈量容量和周期寿命。在钠离子测试中，应正当筛选c-速度和电压窗，以创立对该主旨的理解。

虽然对钠离子电池功能最关键的临盆变量或许与锂离子电池的临盆变量相般配，但每种材料组合的最好工艺参数只可经过对每种景况的考证来断定。协商论文中对这些基础办法细节的报导很少，这束缚了新办事对钠离子电池资产进展的合用性及其对将来贸易化的关联性。抬高科学出书物中熟练室范围程序的透亮度能够成倍补充其讯息，同时有助于钠离子电池协商界推广的原料管制，进而使全数益益关联者受益。

参考文件：DOI:10.2/cphc.202860

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