大家都知道鋰離子電池在目前應用的狀況下，很難實現突破性進展，且鋰資源的儲量與日益增長的電池需求之間也有著一定的差距，所以鈉離子電池成為了新電池的首選。然而，鋰離子電池的負極並不能在鈉離子電池中提供同樣的效能。那麼，如何實現高效能鈉離子電池負極？

針對該問題，DeepTech 聯絡到浙江大學材料科學與工程學院求是特聘教授、博士生導師 —— 塗江平教授。塗江平也是浙江省電池新材料與應用技術研究重點實驗室主任。圍繞他及其團隊近期的研究成果與行業現狀，塗江平與 DeepTech 進行了深度對話。

“最近的研究表明，無定形碳是一個合適的負極，因為它的缺陷點可以作為鈉離子儲存的位點。摻雜的非晶碳，特別是富電子元素摻雜的非晶碳，是一個很好的儲鈉負極。” 塗江平介紹稱。其團隊與來自寧波大學和東莞理工大學的研究人員，描述瞭如何應用原子尺度的基本物理概念來構建鈉離子電池的高效能陽極。

本次研究完善了碳材料儲鈉的機制，闡明瞭無定形材料的儲鈉機制，為碳基鈉離子電池負極的構建提供了理論指導和實踐依據。研究結果以題為《富電子元素摻雜非晶碳的儲鈉行為》（Sodium-storage behavior of electron-rich element-doped amorphous carbon）的論文發表在《應用物理評論》 (Applied Physics Reviews) 上。

“鈉” 年正盛

塗江平首先介紹了鈉離子電池的行業背景。

未來，鋰離子電池存在著資源儲量不足等隱患。雖然我國鋰礦資源豐富，但開發難度大、成本高，供應能力較弱，所以我國也是全球鋰資源第一進口國：80% 的鋰資源供應依賴進口。另一方面，在全球範圍內，鋰礦分佈也是區域高度集中。就儲量而言，全球近 70％的儲量都分佈在南美洲的 “鋰三角” 地區，包括智利、玻利維亞和阿根廷三國。就資源量而言，全球 59％的資源量集中在 “鋰三角” 國家。彭博社新能源財經（Bloomberg New Energy Finance）的一項分析預測，未來對鋰的需求會激增，到 2030 年將增加 1500 倍。再加上鋰只在少數幾個國家開採，這可能導致鋰價格飆升。從長遠考慮，積極尋找鋰電池的可替代品非常有必要。

與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有的最大優勢是鈉鹽原材料儲量豐富。鈉是地球上第四豐富的元素，地殼含量高（鈉資源在地殼中的分佈為 23600 ppm, 比鋰資源（鋰為 20 ppm）高 1000 倍），且鈉資源分佈均勻，海水中的鈉也是天然的鈉源寶庫。另一個優勢是成本低，包括可採用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導率高於鋰電解液）、鋁集流體（鈉離子不與鋁形成合金，負極可採用鋁箔作為集流體，雙鋁集流體不存在過放問題）等，且鈉資源的開採費用僅為鋰的百分之一。

身向 “鈉” 畔行

近年來，環境友好的鈉離子電池的發展非常迅速，但仍存在不少問題，如適合的正負材料有限、電池體系能量密度較低、全電池迴圈壽命較短等。在目前儲鈉材料的研究中，硬碳是較為理想的負極材料；幾類正極材料如氧化物、聚陰離子類和普魯士藍類化合物等，仍存在容量低、迴圈差、製備成本高等問題，與多種正極材料搭配的全電池能量密度基本在 100 W・h/kg 左右。縱觀現在所研究的正負極材料，實際鈉離子電池要達到 120 W・h/kg 且需保證儲能所期的長迴圈壽命，具有一定的挑戰。

據塗江平介紹，其本次研究完善了碳材料儲鈉的機制，闡明瞭無定形材料的儲鈉機制，為碳基鈉離子電池負極的構建提供了理論指導和實踐依據。結合前期研究，從無定形碳材料到氧化物複合碳材料、摻雜碳材料等多角度說明了儲鈉機制和方法。

本次研究是在前期有無定形碳材料作為鈉離子電池的基礎上進行，鈉在無定形碳中的儲存行為是利用內部結構、電子密度和系統能量來預測和分析的。

●內部結構：對於鈉離子電池負極，無定形碳材料中的缺陷位點可以儲存鈉離子。所謂缺陷就是不完美的地方，包括雜原子、結構畸變扭曲，缺少或者是增加了原子、團簇等情況。吡咯氮和磷氧鍵分別是 N 和 P 摻雜中與原始結構差別最大的，也就是能夠實現高結構畸變，因此具有較好的儲鈉效能。在理論基礎的指導下，製備得到這種結構，才能實現高效能電極。

●電子密度：富電子元素提高電子雲密度，從而增加對陽離子的親和力。

●系統能量：鈉離子插入過程中系統能量的變化證明了富電子元素摻雜碳的優越性。

磷量子點就是奈米級別的磷顆粒，透過水熱反應在高溫高壓可以實現大塊磷溶解，然後再次沉積，獲得磷量子點，形成 P-O-C 鍵，實現磷摻雜，是一個從理論落實到實驗的過程。用磷量子點成功地製備氮、磷共摻雜的無定形碳，其容量增大，迴圈壽命延長，容量保持率提高。這些結果可應用於其他元素摻雜體系，從而指導陽離子儲存的研究，促進電池的發展。

圖 | (a) 氮摻雜無定形碳 (b) 磷量子點的製備工藝

對於研究成果，塗江平簡單概括為：“採用理論指導實踐的研究方法，根據前期研究基礎，確定了無定形碳材料的儲存機制。我們的工作就是根據機制增加儲鈉位點，同時也發現了摻雜的碳材料具有優異的效能。我們對這些摻雜結構進行了一個系統的分析：一方面預測了儲鈉的最佳結構，另一方面是成功製備了具有最佳結構的儲鈉材料。”

如影片所示，塗江平說這四個 LED 有著不同工作電壓，紅色 LED 的工作電壓最低，約 1.6 V；其次是綠色、黃色，大概 1.7 V；白色較高，有 1.8 V。實驗時，色彩豐富的小燈泡被一一點亮，帶來審美的愉悅，也正如這多姿多彩的科研生活。

問渠 “鈉” 得清如許？為有源頭活水來

從目前產業情況來看，鈉離子電池的產業化研究仍處在起步階段，很多研究成果只能提供理論指導，離真正落地還需要一定的時間。目前鈉離子電池的效能與鋰離子電池相比還是有差距的。但鈉離子電池的電極材料製備和使用過程中無毒性，也不含重金屬元素，是無汙染、無公害的環境友好型二次電池，不會對資源環境造成壓力。

塗江平說：“我認為鈉離子電池是未來儲能器件的重要發展方向之一，在儲能領域佔據一席之地也是必然的。” 目前鈉離子電池已經建成了初步的產業化生產基地、可在對效能要求不高的地方應用。

圖 | 首輛鈉離子電池低速電動示範車

最後塗江平整理了鈉離子電池體系進行下一步研究與開發的幾個方向：

（1）探尋設計正負極材料。初步研究，目前已開發的電極材料具有較高的安全效能，要針對已有的材料最佳化其效能，開拓廣闊的市場；也要注重新材料、新機理方面的工作，適合嵌鈉的材料及含鈉化合物多種多樣，這為以後嵌鈉反應的科學研究提供更為廣泛的材料選擇基礎。

（2）功能電解液 / 固態電極技術的開發。尋找合適的鹽、溶劑以及新增劑，以滿足高電壓、長迴圈、高倍率、耐高低溫、阻燃等需求；著重開發新型鈉離子固體電解質，進一步提高固態電解質的鈉離子電導率，並解決固 - 固介面難題也是可行的方案。

（3）除進一步提升電極材料的比容量和迴圈穩定性、電解液的開發，還需推進電池體系的規模化研究，從而進行電池體系的正負極匹配和電極電解液相互作用探討，並對電池體系安全性進行系統考察。最終實現鈉電池的科學研究及應用的縱深發展。