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利升体育手机版入口:北理工团队在碱金属离子电池领域发表综述文章


近日,北京理工大学机电利升体育手机版入口张建国教授团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》(影响因子29.400)发表题为《The Enormous Potential of Sodium/Potassium-Ion Batteries as The Mainstream Energy Storage Technology for Large-Scale Commercial Applications》的综述(DOI: 10.1002/adma.利升体育手机版入口05989),文章综述了钠/钾离子电池和锂离子电池在成本效益上的差异。本单位通讯作者为张建国教授、于琪瑶副教授,第一作者为北京理工大学机电利升体育手机版入口2022级博士生高艳君。

评估新兴技术的一个重要标准是其经济可行性,以能量为基准的成本分析被视为确定这些技术可持续性的有效工具。锂资源的稀缺和大幅增加的需求将显著提高锂离子电池(LIBs)的价格,外加其低安全性,最终限制了LIBs的商业可行性,使其难以负担大规模的工业应用;另外,目前LIBs的能量密度正接近其饱和极限。相比之下,钠/钾金属成本低,其电池体系可使用廉价的集流体。钠离子电池(SIBs)表现了更好的热稳定性和低温性能、更宽的温度适应范围。钾离子电池(PIBs)在热失控时产生的热量要比LIBs少得多,具有更高的安全性。SIBs和PIBs的低成本优势为其在大规模储能应用中开辟了道路。本综述引入了成本效益($ kWh-1·cycle-1)这一重要参数,通过总结近年来的研究进展,基于正极材料的分类,评估并对比了各种钠离子、钾离子和锂离子全电池体系的成本效益,从该角度出发,给出了SIBs/PIBs在某些特定场景中取代商业化LIBs所需达到的能量密度;并进一步对比分析了SIBs和PIBs的电化学行为,其差异表明SIBs是目前大规模储能应用的首要选择;令人鼓舞的是,更高的电池电压、可实现的K+嵌入石墨负极的过程,特别是在高电流密度下高效的充放电过程,良好的循环稳定性,赋予PIBs极大的可能性,在未来应用于大规模储能中。

要点一:钠离子/钾离子全电池和锂离子全电池的成本抗衡

对各种电池体系的成本分析有助于确定其在大规模固定式储能应用中的实用价值。本综述给出了在不同电极价格等级和电池寿命水平下对SIBs/PIBs能量密度的具体要求,用于替代LIBs在大规模储能领域中应用,其中价格等级是基于近几年的研究现状,计算和总结不同全电池的投入成本后确定的。在电化学性能与成本($ kWh-1 cycle-1)相关联的曲线图中,根据SIBs/PIBs的实际成本,在给定的LIB标准下,确定了需要满足的能量密度,确保SIBs/PIBs体系在大规模储能应用中的经济优势。

要点二:钠离子全电池和钾离子全电池的成本对比

从技术经济的角度,本综述深入了解了SIBs和PIBs的商业可行性,它们可被视作LIBs的潜在替代品应用于大规模固定式储能领域。根据SIBs和PIBs每千瓦时(kWh)每圈(cycle)的成本消耗对比,SIBs仍然处于领先地位,这主要是由于其能量密度明显高于PIBs,而PIBs的研究仍处于实验室阶段。到目前为止,经设计的无负极钠离子电池的能量密度可以超过200 Wh kg-1,甚至高于商用磷酸铁锂||石墨全电池;同时考虑到钠离子电池的原材料价格低,相比钾离子电池更具有成本优势($ kWh-1 cycle-1),使其成为大规模储能应用的首选。

要点三:钾离子电池相比钠离子电池的优势

虽然PIBs仍处于实验室阶段。但令人鼓舞的是,更负的电化学电压K+/K(-2.93 V vs. SHE)和可实现的K+嵌入石墨负极的过程赋予了PIBs更高的全电池电压和高能量密度的可能性;更小的斯托克斯(Stokes)半径和更小的溶解能保证了快速的K+运输能力;此外,由于K+与溶剂的弱相互作用和易于自愈的枝晶表面,抑制了[阳离子-溶剂]+的共插层效应,促进了宿主结构的稳定,从而实现了优异的循环性能。各种高效的改性策略有利于加快电化学反应动力学,稳定结构,提高容量,其能量密度不断接近SIBs,且循环性能明显增强,这些性能的改善被认为是提高其实用性的主要突破点。更高效的充放电过程(特别是在高电流密度下),以及在多数情况下更高的电化学电压,使PIBs具有巨大的潜力成为大规模商业应用中的主流储能技术。

文章链接:The Enormous Potential of Sodium/Potassium-Ion Batteries as The Mainstream Energy Storage Technology for Large-Scale Commercial Applications

https://doi.org/10.1002/adma.利升体育手机版入口05989


附作者简介:

张建国,北京理工大学机电利升体育手机版入口教授、博士生导师。主要研究方向为能源材料与含能器件。主持完成国家重大专项课题、国家自然科学基金等项目20余项,发表论文300余篇,出版专著1部、译著3部,授权发明专利65项,获省部级科技二等奖、三等奖各2项。获北京市教学名师奖,国家教学成果二等奖,北京市教学成果特等奖、一等奖、二等奖各1项。中国兵工学会火工烟火专委会副主任委员、火炸药专委会委员,中国化学会热分析专委会、高压化学专委会委员。担任Central European Journal of Energetic Materials、Defence Technology、含能材料、火炸药学报等期刊编委。

于琪瑶,北京理工大学机电利升体育手机版入口副教授,博士生导师。近年来围绕电源电极材料的可控制备、电子/离子界面和活性材料体相传质规律、离子嵌入脱嵌过程电化学反应机理、柔性电极制造的材料、结构、能量一体化泛在集能科学技术等领域进行了深入研究,取得了若干原创性成果,迄今已在国际著名学术期刊发表SCI论文55篇,6篇ESI高被引论文,其中以第一/通讯作者发表学术论文33篇(一区论文27篇,其中21篇影响因子>10)。


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