关于钠离子电池负极材料，你知道多少

负极材料在充电时发生还原反应，放电时发生氧化反应，一般具有较低的还原电势。理想的正极材料应满足还原电势低（但必须高于金属钠的沉积电势）、可逆容量大、循环性能稳定、电子和离子电导率高、结构稳定且不怕空气、安全性高、价格低廉。对于钠离子电池而言，负极材料起着负载和释放钠离子的重要作用，其直接影响电池整体的动力学性能，例如倍率性能、功率密度等。目前，钠离子电池的负极材料主要分为五种类型：碳基材料、钛基材料、合金材料、有机化合物类、其他体系，其中碳基材料的技术成熟度最高，资源丰富，有望率先实现产业化。  

（1）碳基材料：软碳硬碳各有千秋，石墨负极尚在研究   根据碳原子的微观结构，碳基负极材料分为石墨类材料、无定形碳材料、纳米碳材料。与其他碱金属离子不同，钠离子在碳酸酯类溶剂中难以对石墨层间进行有效嵌脱，这主要是钠离子-石墨嵌入反应的ΔG＞0所致。因此，在锂离子电池中广泛应用的石墨负极，在碳酸酯作溶剂的钠离子电池中难以使用。其实在醚类溶剂中，石墨也能有效嵌脱钠离子，但是电解液的稳定性削弱，易与正极发生反应，有待进一步研究。无定形碳材料具有较高的储钠比容量，也是目前最接近产业化的负极材料。   按照热处理石墨化难易程度，分为软碳和硬碳。软碳在2800℃以上能完全石墨化，硬碳在高温下也难以石墨化。软、硬碳差别在于微观结构中碳层的交联相互作用，根本取决于所用碳化前驱体的结构和形状。一般来说，热塑性前驱体（石化原料及副产品）容易形成软碳，热固性前驱体（生物质、树脂聚合物等）容易形成硬碳。相对而言，软碳的制造成本较低，工艺易于控制，但比容量不及硬碳；硬碳的比容量较高，但首周效率往往较低，且其性能依赖于所用前驱体和和处理工艺，产碳率较低。值得一提的是，目前人们对硬碳材料的储钠机理仍未彻底弄清，还有较大的提升空间。纳米碳材料主要有石墨烯、碳纳米管，钠离子主要以吸附的方式储存在其表面和缺陷处，这类材料的理论比容量较大，但首周库仑效率低，反应电势高，而且价格昂贵。  

（2）钛基材料：潜在优势独特，短期难以商用   四价钛的还原电势普遍较低，其化合物空气稳定，且不同晶体结构的钛化合物储钠电势不同，因此被用来开发负极材料。目前，钛基材料主要是一些钛的氧化物和聚阴离子化合物。氧化物包括层状的Na2Ti3O7、Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2以及尖晶石型的Li4Ti5O12（也被用于锂离子电池负极）等，聚阴离子化合物包括正交型的NaTiOPO4、NASICON型的NaTi2(PO4)3。这些材料的比容量普遍不高，但具有很多独特的优势，例如Li4Ti5O12是一种无应变材料，Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2可以同时充当正负极材料，NaTi2(PO4)3可以用于水系钠离子电池。  

（3）合金材料：理论比容量巨大，技术难题待克服   金属钠能与Sn、Sb、In等多种金属形成合金，可作为钠离子电池的负极，与锂离子电池的硅基负极类似。这类材料的优势是理论比容量很高，且反应电势很低，因此有望制造高能量密度、高电压的钠离子电池。但是这类材料的反应动力学性能较差，而且钠脱嵌前后的体积变化可达数倍，伴随巨大的应力，使活性材料容易从集流体表面脱落，比容量快速衰减。  

（4）有机化合物类：合成条件温和，尚处研究阶段   有机负极材料的优缺点与有机正极材料类似，目前种类主要包括：羰基化合物、Schiff碱化合物、有机自由基化合物和有机硫化物等，尚处于实验室研究阶段。    

（5）其他体系：多为过渡金属的Ⅴ、Ⅵ族化合物，尚处研究阶段   某些过渡金属氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物也具有可逆储钠的电化学活性，这类材料往往同时伴随转换反应和合金化反应，因此其理论比容量可超过相应的合金类负极材料，但也更多的技术难题。  

编辑：黄飞