環(huán)境污染問題日益突出，風(fēng)能、太陽能等清潔能源的利用越來越受到人們的關(guān)注，但是這些能源是間隙性的，限制了其發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大規(guī)模儲能技術(shù)是解決可再生能源高效利用瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。鋰離子電池是一種非常重要的儲能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于便攜電子設(shè)備和新能源汽車上，隨著電動汽車、智能電網(wǎng)時代的到來，鋰離子電池大規(guī)模發(fā)展受到鋰資源短缺的瓶頸制約。與鋰相比，鈉儲量豐富、分布廣泛、成本低廉，并且與鋰具有相似的理化性質(zhì)，因而鈉離子電池的研究再一次受到科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。與鋰離子電池相比，鈉離子電池的能量密度通常較低，雖不太適合應(yīng)用在對能量密度有較高需求的便攜式電子設(shè)備和電動汽車領(lǐng)域，但適合應(yīng)用于對能量密度要求不太高、對成本敏感的低速電動車和通訊基站、家庭儲能、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域。高性能電極材料的開發(fā)對實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要，特別是高性能、低成本的負(fù)極材料仍是制約鈉離子電池實用化的瓶頸。

在眾多報道的鈉離子電池負(fù)極材料中，高度有序的石墨類軟碳負(fù)極材料儲鈉容量較低 (通常低于 100 mAh/g)，而高度無序的硬碳材料由于具有高的比容量和長循環(huán)壽命等優(yōu)良的綜合性能而被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的一種負(fù)極材料。中國科學(xué)院物理研究所博士生李云明、研究員胡勇勝等利用水熱方法得到了一種硬碳微球，接著又利用棉花作為前驅(qū)體通過一步碳化法得到了一種硬碳微管，雖然硬碳具有優(yōu)異的儲鈉性能，但是其高昂成本限制了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。接著他們提出在軟碳前驅(qū)體瀝青中加入第二相例如硬碳前驅(qū)體，利用二者之間的相互作用得到了一種無序度較高的非晶碳材料，并且這種復(fù)合前驅(qū)體具有較高的產(chǎn)碳率 (60% 左右)，作為鈉離子電池的負(fù)極材料，其展現(xiàn)了高達(dá) 250mAh/g 的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

最近，他們在鈉離子電池碳基負(fù)極材料上取得了突破，采用成本更加低廉的無煙煤作為前驅(qū)體，通過簡單的粉碎和一步碳化得到了一種具有優(yōu)異儲鈉性能的碳負(fù)極材料。裂解無煙煤得到的是一種軟碳材料，但不同于來自于瀝青的軟碳材料，在 1600°C 以下仍具有較高的無序度，產(chǎn)碳率高達(dá) 90%，儲鈉容量達(dá)到 220mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。最重要的是在所有的碳基負(fù)極材料中具有最高的性價比。其應(yīng)用前景也在軟包電池中得以驗證，以其作為負(fù)極和 Cu 基層狀氧化物作為正極制作的軟包電池的能量密度達(dá)到 100Wh/kg，在 1C 充放電倍率下容量保持率為 80%，循環(huán)穩(wěn)定，并通過了一系列適于鋰離子電池的安全試驗。低成本鈉離子電池的開發(fā)成功將有望率先應(yīng)用于低速電動車，實現(xiàn)低速電動車的無鉛化，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，將推廣到通訊基站、家庭儲能、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《材料化學(xué)雜志A》(J. Mater. Chem. A 3 (2015) 71-77)、《先進(jìn)能源材料》(Adv. Energy Mater. 6 (2016) 1600659)、《儲能材料》(Energy Storage Mater. 2 (2016) 139-145)、《材料化學(xué)雜志A》(J. Mater. Chem. A 4 (2016) 96-104)、《儲能材料》(Energy Storage Mater. 5 (2016) 191–197)上。該系列工作得到了國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金、科技部 “863” 創(chuàng)新團(tuán)隊項目和中科院百人計劃的支持。

圖 1. (a) 硬碳球形貌; (b) 硬碳微管形貌; (c) 不同熱處理溫度下硬碳球的充放電曲線; (d) 不同熱處理溫度下硬碳微管的充放電曲線。

圖 2.(a) 瀝青基復(fù)合非晶碳負(fù)極合成原理圖; (b) 瀝青、木質(zhì)素及其復(fù)合物的 TG 曲線; (c) 復(fù)合碳負(fù)極充放電曲線。

圖 3. (a) 無煙煤 TG/DSC 曲線; (b) 不同裂解溫度下無煙煤的充放電曲線; (c) 1200℃ 裂解無煙煤循環(huán)性能; (d) 以裂解無煙煤為負(fù)極的軟包電池; (e) 軟包電池的倍率性能; (f) 軟包電池的循環(huán)性能。