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鈉離子電池（SIBs）是一種新型的高能量密度電池。早在20世紀(jì)末80年代初，與鋰離子電池同期，SIBs的研究就已經(jīng)開始。但是由于鋰離子電池發(fā)展迅速，更多的研究重點(diǎn)都集中在鋰離子電池上，鈉離子電池并沒有得到很好的發(fā)展。如今由于鋰資源缺乏，又使鈉離子電池的研究重新獲得關(guān)注。鈉離子電池具有高能量密度、低成本、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是鋰離子電池的理想替代品，目前國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛加入鈉離子電池的研究和開發(fā)中。

SIBs也是由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜等關(guān)鍵部件構(gòu)成，其中負(fù)極材料是人們研究的焦點(diǎn)，近年來相關(guān)報(bào)道逐年增加。負(fù)極材料對(duì)鈉離子電池性能和循環(huán)壽命具有重要影響。據(jù)悉，不同的負(fù)極材料對(duì)應(yīng)著不同的儲(chǔ)鈉方式，不同的儲(chǔ)鈉方式又影響鈉電池的儲(chǔ)能密度、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性等。因此，負(fù)極材料是決定鈉電產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程快慢的關(guān)鍵因素之一。

SIBs負(fù)極材料主要分為五種類型：碳基材料、鈦基材料、合金材料、有機(jī)化合物類、其他體系，其中碳基材料的技術(shù)成熟度最高，資源豐富，有望率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)碳原子的微觀結(jié)構(gòu)，碳基負(fù)極材料分為石墨類材料、無定形碳材料、納米碳材料。

一、石墨類

石墨具有高結(jié)晶度、規(guī)則的層片狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的導(dǎo)電性能，適合鋰離子在層間進(jìn)行脫嵌。同時(shí)原材料豐富易得，價(jià)格也比較低廉，因此成為眾多研究者關(guān)注和開發(fā)的熱點(diǎn)。與堿金屬離子不同，鈉離子在碳酸酯類溶劑中難以對(duì)石墨層間進(jìn)行有效嵌脫，這主要是石墨層間距?。?.335nm），不適于體積較大的Na+進(jìn)行脫嵌，因此，在鋰離子電池中廣泛應(yīng)用的石墨負(fù)極，在碳酸酯作溶劑的鈉離子電池中難以使用。

近年來，研究人員通過一些改性手段擴(kuò)大石墨層間距，使其具備一定的容量取得了相關(guān)進(jìn)展。石墨經(jīng)改性后能夠具備一定的儲(chǔ)鈉容量，并且具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，為石墨材料在SIBs中的應(yīng)用帶來了希望。然而這些改性方法帶來的一個(gè)共性問題就是比表面積大，造成首次不可逆容量很大，這是改性石墨材料需要解決的關(guān)鍵問題。

二、無定型碳材料

無定形碳材料具有大的層間距和無序度，有利于Na+離子的脫嵌，是人們研究最多的一類負(fù)極材料。按照熱處理石墨化難易程度，分為軟碳和硬碳。軟碳在2800°C以上能完全石墨化，硬碳在高溫下也難以石墨化。軟、硬碳差別在于微觀結(jié)構(gòu)中碳層的交聯(lián)相互作用，根本取決于所用碳化前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)和形狀。相對(duì)而言，軟碳的制造成本較低，工藝易于控制，但比容量不及硬碳。硬碳的比容量較高，但首周效率往往較低，且其性能依賴于所用前驅(qū)體和處理工藝，產(chǎn)碳率較低。

近十幾年來科研工作者研究了很多具有大的層間距和無序結(jié)構(gòu)并且有利于Na+脫嵌的無定型碳負(fù)極材料，這些研究證明了無定型碳材料的可逆容量、循環(huán)性能以及倍率性能都取得了較大的突破。

三、納米碳材料

納米碳材料主要有石墨烯、碳納米管，這些電極儲(chǔ)鈉離子通常設(shè)計(jì)了兩種機(jī)理，一為離子插層，二為缺陷（包括雜原子、邊緣、空隙）的化學(xué)或物理吸附。相比較于離子插層，缺陷吸附通常有利于維持電極的結(jié)構(gòu)完整以及快速的吸附、脫離，由于其較少地涉及相變或結(jié)構(gòu)變化。

當(dāng)前石墨烯復(fù)合材料作為SIBs的負(fù)極材料其納米結(jié)構(gòu)包含有片層裹覆式（活性材料被裹覆在石墨烯片層間）、三維密封式（活性材料被包裹以球形常見）、三明治或片層堆疊式。石墨烯作為支撐材料在復(fù)合電極中歸納為以下4大優(yōu)勢(shì)：

1、大面積的二維石墨烯納米片可以作為電化學(xué)活性材料生長(zhǎng)和有效分散的基底；

2、三維連續(xù)石墨烯框架進(jìn)一步避免了活性分子的團(tuán)聚；

3、高導(dǎo)電性石墨烯支架構(gòu)建了電子傳輸?shù)目焖偻ǖ?，分?jí)多孔納米結(jié)構(gòu)有利于快速的離子擴(kuò)散；

4、石墨烯層由于其強(qiáng)的機(jī)械性能，以及三維石墨烯框架中的介孔或納米空隙，可以充當(dāng)緩沖以減輕電化學(xué)反應(yīng)前后的活性物質(zhì)體積變化。

簡(jiǎn)而言之，石墨烯復(fù)合電極材料有利于實(shí)現(xiàn)高容量、快充、長(zhǎng)循環(huán)電池系統(tǒng)。

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