臥龍崗大學郭再萍Materials Today:用于電網規模儲能的鈉離子電池和鉀離子電池的挑戰和未來展望

【引言】

不斷增長的全球能源消耗推動了可再生能源技術的發展，以減少溫室氣體排放和環境污染。儲能被認為是確保電力供應以避免在高需求時浪費電力和高昂價格的需要。大型儲能系統具有存儲來自間歇性和可變性能源的能量的能力，這會將電網轉換為靈活的自適應系統。在過去的幾十年中，對電儲能（EES）技術進行了大量研究，例如抽水蓄能（PHS），電池，飛輪儲能，超級電容器等。當前的電網規模儲能系統主要是包括壓縮空氣儲能（CAES），抽水式水輪，充氣輪，高級鉛酸，NaS電池，鋰離子電池，流電池，超導磁儲能（SMES），電化學電容器和熱化學儲能。隨著技術的發展和成熟，CAES可以提供可靠的能量存儲管理。但是，地域限制仍然阻礙了它們的廣泛應用。由于轉子抗拉強度的限制和有限的能量存儲時間，飛輪面臨著巨大的挑戰。鉛酸電池也是成熟的電池技術，但是，其對環境的毒性，有限的循環壽命和低能量密度仍然阻礙了它們的未來應用。NaS電池可提供高能量密度和長循環壽命，但是，通常所需的工作溫度在300^oC至350^oC之間。盡管電化學電容器可以提供較長的循環壽命，而熱化學能量存儲可以表現出高能量密度，但是它們都具有相對較高的成本，這使其不適用于當前的電網規模的能量存儲。根據美國能源部（DOE）的全球能源存儲數據庫，盡管PHS的安裝成本高且特定的地理要求高，因為每個PHS電廠都高度依賴于PHS，但目前大多數電網規模的能源存儲都是通過PHS實現的。在過去的幾年中，作為高能電化學儲能裝置的電池在實現最大程度地利用間歇性可再生能源（例如太陽能和風能）方面顯示出了希望。將可再生能源存儲在大型可充電電池中，可以更有效地利用能源，即在需求高峰時調度并在需求較低時進行存儲。另外，電池通常比大多數其他能量存儲設備響應更快，并且可以放置在一定范圍的區域中以用于各種用途。

【成果簡介】

????????臥龍崗大學郭再萍在這篇綜述中概述了當面對網格規模應用中的實際應用時，SIB和PIB的優勢和挑戰。作者在LIB和SIB/PIB之間進行了成本分析比較，重點是電極材料和電解質。文章還從電極，電解質，電極/電解質中間相和金屬陽極等方面比較了它們的電化學性能，例如能量密度，固體/電解質/中間相中的離子擴散率，使用壽命和安全性。作者認為這樣的比較可以清楚地說明這三種儲能系統在大規模應用中的優缺點。作者希望這種綜述可能會激發研究人員對實現高性能SIB和PIB的基本原理有深入的了解，并指導電極/電解質材料的未來設計。該成果以題為“Challenges and future perspectives on sodium and potassium ion batteries for grid-scale energy storage”發表在Materials Today上。

【圖文導讀】

圖1.鋰電池和鈉電池的成本比較

（a）WOS中涉及關鍵詞“鈉離子電池”或“鉀離子電池”的研究出版物的數量 （b）有關可伸縮儲能設備及其相關問題的五個關鍵指標 （c）分別基于LMO/C和NMO/C模型計算的LIB和SIB的電池材料成本 （d）本模型LMO，LiMn2O4的總成本，體積和質量； NMO，β-NaMnO2；sG，合成石墨；sHC，標準硬碳（e）LiNiMnCoO2/石墨（LNMC/G）和KNiMnCoO2/G（KNMC/G）電池的成本明細（f）LNMC/G和KNMC/G電池的總成本，可用能量，質量和體積

圖2.電池性能比較

（a）LIB/SIB/PIB的能量密度比較（b）掃描速度為0.05 mV/s的0.5 M KPF6-EC/DEC中的鎳網狀電極的循環伏安圖（c）碳酸鹽電解質中LIB/SIB/PIB的可用潛在窗口

圖3.離子的物理性質

（a）PC中Li+，Na+和K+的斯托克斯半徑 （b）Li離子的電子運動機制示意圖 （c）Li（001）上Li原子和K（001）上K原子的吸附能分布（d）沿著最小能量路徑（MEP）進行自我擴散的原子構型，吸附原子在交換機制中處于四重空心

圖4.性能表征

（a）C，O，F和Na的原子分數作為SEI深度的函數，由X射線光電子能譜（XPS）深度分布譜計算得出 （b）在不同電解質中形成的SEI組合物的示意圖以及電荷轉移能壘的比較（c）用于KPF6和KFSI電解液的Bi/rGO電極的表面高度圖和表面電勢圖 （d）在50 mA/g的條件下比較帶有各種電解質（有或沒有FEC）的電池的循環性能 （e）三氟甲磺酸鈉(NaOTf)-H2O二元體系中的溶劑化結構

圖5.電池電解質和SEI的研究

（a）在不同電解質循環的鋰金屬上進行不同時間的Ar+濺射后，SEI的組成 （b）在不同電解質中形成的不同SEI和CEI化學的示意圖（c）各種濺射時間后的O和F XPS光譜以及從XPS深度剖析得出的SEI結構 （d）源自cryo-STEM的SEI結構的示意圖

圖6.不同SEI示意圖

（a）在平面和多孔鋁箔上沉積鈉的示意圖 （b）在裸露的Na箔和帶有MLD的Alucone涂層的Na箔上進行Na剝離/電鍍的示意圖 （c）陶瓷固體電解質顆粒與鈉金屬的接觸模型，其具有在鍍鈉過程中具有良好潤濕能力的人工夾層 （d）β/ β’’-Al2O3納米線（Ans）–凝膠聚合物電解質（GPE）的結構和鈉離子遷移機理

圖7.兩種策略：直接在圓柱電池中采用液態K-Na金屬，或采用吸收在多孔膜中的液態金屬

（a）固態金屬陽極轉變為液態合金陽極以抑制枝晶形成的示意圖 （b）K2O層（KOL）@Na–K合金的制造過程示意圖 （c）室溫下Na-K堿合金的液化過程，以及室溫下通過真空滲透將液態Na-K固定在多孔膜中的過程（d）液態Na–K合金吸收前后的銅和鋁多孔膜的數字和顯微圖像

圖8.Na-K合金用于陽極

（a）從碳中提取K-Na液體 （b）液態Na-K合金用于陽極的示意圖

【小結】

能源危機和環境污染要求大規模儲能技術的發展。在各種商業化技術中，電池由于其相對較高的能量密度和較長的循環壽命而引起了極大的關注。然而，鋰礦物的供應有限和分布不均，以及其高昂的成本，極大地阻礙了鋰離子電池在大規模儲能中的應用。因此，構建具有低成本，長壽命和高安全性的下一代替代可充電電池是最重要的。在過去的幾年中，我們見證了鈉和鉀離子電池（SIB和PIB）在電極和電解質材料方面的許多成功研究成果。這篇綜述總結了SIB/PIB的當前發展及其在面對實際應用時所面臨的挑戰，包括它們的成本，能量密度，固體/電解質/中間相中的離子擴散率，循環壽命和安全性問題。最后，文章概述了這兩種電池化學技術未來發展的幾個可能方向，希望能幫助從實驗室向電網規模儲能的SIBs/PIBs電池過渡到下一代實際應用。

文獻鏈接：Challenges and future perspectives on sodium and potassium ion batteries for grid-scale energy storage. Materials?Today, 2021, DOI:10.1016/j.mattod.2021.03.015

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。