北理工團(tuán)隊(duì)在堿金屬離子電池領(lǐng)域發(fā)表綜述文章
發(fā)布日期：2024-06-24 供稿：機(jī)電學(xué)院 攝影：機(jī)電學(xué)院
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近日,，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院張建國(guó)教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》（影響因子29.400）發(fā)表題為《The Enormous Potential of Sodium/Potassium-Ion Batteries as The Mainstream Energy Storage Technology for Large-Scale Commercial Applications》的綜述（DOI: 10.1002/adma.202405989）,，文章綜述了鈉/鉀離子電池和鋰離子電池在成本效益上的差異。本單位通訊作者為張建國(guó)教授,、于琪瑤副教授,，第一作者為北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院2022級(jí)博士生高艷君。
評(píng)估新興技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是其經(jīng)濟(jì)可行性,，以能量為基準(zhǔn)的成本分析被視為確定這些技術(shù)可持續(xù)性的有效工具,。鋰資源的稀缺和大幅增加的需求將顯著提高鋰離子電池（LIBs）的價(jià)格,，外加其低安全性，最終限制了LIBs的商業(yè)可行性,，使其難以負(fù)擔(dān)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用,；另外，目前LIBs的能量密度正接近其飽和極限,。相比之下,，鈉/鉀金屬成本低，其電池體系可使用廉價(jià)的集流體,。鈉離子電池（SIBs）表現(xiàn)了更好的熱穩(wěn)定性和低溫性能、更寬的溫度適應(yīng)范圍,。鉀離子電池（PIBs）在熱失控時(shí)產(chǎn)生的熱量要比LIBs少得多,，具有更高的安全性。SIBs和PIBs的低成本優(yōu)勢(shì)為其在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中開(kāi)辟了道路,。本綜述引入了成本效益（$ kWh-1·cycle-1）這一重要參數(shù),，通過(guò)總結(jié)近年來(lái)的研究進(jìn)展，基于正極材料的分類,，評(píng)估并對(duì)比了各種鈉離子,、鉀離子和鋰離子全電池體系的成本效益，從該角度出發(fā),，給出了SIBs/PIBs在某些特定場(chǎng)景中取代商業(yè)化LIBs所需達(dá)到的能量密度,；并進(jìn)一步對(duì)比分析了SIBs和PIBs的電化學(xué)行為，其差異表明SIBs是目前大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的首要選擇,；令人鼓舞的是,，更高的電池電壓、可實(shí)現(xiàn)的K+嵌入石墨負(fù)極的過(guò)程,，特別是在高電流密度下高效的充放電過(guò)程,，良好的循環(huán)穩(wěn)定性，賦予PIBs極大的可能性,，在未來(lái)應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能中,。
要點(diǎn)一：鈉離子/鉀離子全電池和鋰離子全電池的成本抗衡
對(duì)各種電池體系的成本分析有助于確定其在大規(guī)模固定式儲(chǔ)能應(yīng)用中的實(shí)用價(jià)值。本綜述給出了在不同電極價(jià)格等級(jí)和電池壽命水平下對(duì)SIBs/PIBs能量密度的具體要求,，用于替代LIBs在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域中應(yīng)用,，其中價(jià)格等級(jí)是基于近幾年的研究現(xiàn)狀，計(jì)算和總結(jié)不同全電池的投入成本后確定的,。在電化學(xué)性能與成本（$ kWh-1 cycle-1）相關(guān)聯(lián)的曲線圖中,，根據(jù)SIBs/PIBs的實(shí)際成本，在給定的LIB標(biāo)準(zhǔn)下,，確定了需要滿足的能量密度,，確保SIBs/PIBs體系在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),。
要點(diǎn)二：鈉離子全電池和鉀離子全電池的成本對(duì)比
從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度，本綜述深入了解了SIBs和PIBs的商業(yè)可行性,，它們可被視作LIBs的潛在替代品應(yīng)用于大規(guī)模固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域,。根據(jù)SIBs和PIBs每千瓦時(shí)（kWh）每圈（cycle）的成本消耗對(duì)比，SIBs仍然處于領(lǐng)先地位,，這主要是由于其能量密度明顯高于PIBs,，而PIBs的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。到目前為止,，經(jīng)設(shè)計(jì)的無(wú)負(fù)極鈉離子電池的能量密度可以超過(guò)200 Wh kg-1,，甚至高于商用磷酸鐵鋰||石墨全電池；同時(shí)考慮到鈉離子電池的原材料價(jià)格低,，相比鉀離子電池更具有成本優(yōu)勢(shì)（$ kWh-1 cycle-1）,，使其成為大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的首選。
要點(diǎn)三：鉀離子電池相比鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)
雖然PIBs仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,。但令人鼓舞的是,，更負(fù)的電化學(xué)電壓K+/K（-2.93 V vs. SHE）和可實(shí)現(xiàn)的K+嵌入石墨負(fù)極的過(guò)程賦予了PIBs更高的全電池電壓和高能量密度的可能性；更小的斯托克斯（Stokes）半徑和更小的溶解能保證了快速的K+運(yùn)輸能力,；此外,，由于K+與溶劑的弱相互作用和易于自愈的枝晶表面，抑制了[陽(yáng)離子-溶劑]+的共插層效應(yīng),，促進(jìn)了宿主結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能。各種高效的改性策略有利于加快電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),，穩(wěn)定結(jié)構(gòu),，提高容量，其能量密度不斷接近SIBs,，且循環(huán)性能明顯增強(qiáng),，這些性能的改善被認(rèn)為是提高其實(shí)用性的主要突破點(diǎn)。更高效的充放電過(guò)程（特別是在高電流密度下）,，以及在多數(shù)情況下更高的電化學(xué)電壓,，使PIBs具有巨大的潛力成為大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用中的主流儲(chǔ)能技術(shù)。
文章鏈接：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.202405989
附作者簡(jiǎn)介：
張建國(guó),，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槟茉床牧吓c含能器件,。主持完成國(guó)家重大專項(xiàng)課題,、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目20余項(xiàng)，發(fā)表論文300余篇，出版專著1部,、譯著3部,，授權(quán)發(fā)明專利65項(xiàng)，獲省部級(jí)科技二等獎(jiǎng),、三等獎(jiǎng)各2項(xiàng),。獲北京市教學(xué)名師獎(jiǎng)，國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng),，北京市教學(xué)成果特等獎(jiǎng),、一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各1項(xiàng),。中國(guó)兵工學(xué)會(huì)火工煙火專委會(huì)副主任委員,、火炸藥專委會(huì)委員，中國(guó)化學(xué)會(huì)熱分析專委會(huì),、高壓化學(xué)專委會(huì)委員,。擔(dān)任Central European Journal of Energetic Materials、Defence Technology,、含能材料、火炸藥學(xué)報(bào)等期刊編委,。
于琪瑤,，北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師,。近年來(lái)圍繞電源電極材料的可控制備,、電子/離子界面和活性材料體相傳質(zhì)規(guī)律、離子嵌入脫嵌過(guò)程電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,、柔性電極制造的材料,、結(jié)構(gòu)、能量一體化泛在集能科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究,，取得了若干原創(chuàng)性成果,，迄今已在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文55篇，6篇ESI高被引論文,，其中以第一/通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文33篇（一區(qū)論文27篇,，其中21篇影響因子＞10）。
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