卧龙岗大学郭再萍Materials Today:用于电网规模储能的钠离子电池和钾离子电池的挑战和未来展望

【引言】

不断增长的全球能源消耗推动了可再生能源技术的发展，以减少温室气体排放和环境污染。储能被认为是确保电力供应以避免在高需求时浪费电力和高昂价格的需要。大型储能系统具有存储来自间歇性和可变性能源的能量的能力，这会将电网转换为灵活的自适应系统。在过去的几十年中，对电储能（EES）技术进行了大量研究，例如抽水蓄能（PHS），电池，飞轮储能，超级电容器等。当前的电网规模储能系统主要是包括压缩空气储能（CAES），抽水式水轮，充气轮，高级铅酸，NaS电池，锂离子电池，流电池，超导磁储能（SMES），电化学电容器和热化学储能。随着技术的发展和成熟，CAES可以提供可靠的能量存储管理。但是，地域限制仍然阻碍了它们的广泛应用。由于转子抗拉强度的限制和有限的能量存储时间，飞轮面临着巨大的挑战。铅酸电池也是成熟的电池技术，但是，其对环境的毒性，有限的循环寿命和低能量密度仍然阻碍了它们的未来应用。NaS电池可提供高能量密度和长循环寿命，但是，通常所需的工作温度在300^oC至350^oC之间。尽管电化学电容器可以提供较长的循环寿命，而热化学能量存储可以表现出高能量密度，但是它们都具有相对较高的成本，这使其不适用于当前的电网规模的能量存储。根据美国能源部（DOE）的全球能源存储数据库，尽管PHS的安装成本高且特定的地理要求高，因为每个PHS电厂都高度依赖于PHS，但目前大多数电网规模的能源存储都是通过PHS实现的。在过去的几年中，作为高能电化学储能装置的电池在实现最大程度地利用间歇性可再生能源（例如太阳能和风能）方面显示出了希望。将可再生能源存储在大型可充电电池中，可以更有效地利用能源，即在需求高峰时调度并在需求较低时进行存储。另外，电池通常比大多数其他能量存储设备响应更快，并且可以放置在一定范围的区域中以用于各种用途。

【成果简介】

        卧龙岗大学郭再萍在这篇综述中概述了当面对网格规模应用中的实际应用时，SIB和PIB的优势和挑战。作者在LIB和SIB/PIB之间进行了成本分析比较，重点是电极材料和电解质。文章还从电极，电解质，电极/电解质中间相和金属阳极等方面比较了它们的电化学性能，例如能量密度，固体/电解质/中间相中的离子扩散率，使用寿命和安全性。作者认为这样的比较可以清楚地说明这三种储能系统在大规模应用中的优缺点。作者希望这种综述可能会激发研究人员对实现高性能SIB和PIB的基本原理有深入的了解，并指导电极/电解质材料的未来设计。该成果以题为“Challenges and future perspectives on sodium and potassium ion batteries for grid-scale energy storage”发表在Materials Today上。

【图文导读】

图1.锂电池和钠电池的成本比较

（a）WOS中涉及关键词“钠离子电池”或“钾离子电池”的研究出版物的数量 （b）有关可伸缩储能设备及其相关问题的五个关键指标 （c）分别基于LMO/C和NMO/C模型计算的LIB和SIB的电池材料成本 （d）本模型LMO，LiMn2O4的总成本，体积和质量； NMO，β-NaMnO2；sG，合成石墨；sHC，标准硬碳（e）LiNiMnCoO2/石墨（LNMC/G）和KNiMnCoO2/G（KNMC/G）电池的成本明细（f）LNMC/G和KNMC/G电池的总成本，可用能量，质量和体积

图2.电池性能比较

（a）LIB/SIB/PIB的能量密度比较（b）扫描速度为0.05 mV/s的0.5 M KPF6-EC/DEC中的镍网状电极的循环伏安图（c）碳酸盐电解质中LIB/SIB/PIB的可用潜在窗口

图3.离子的物理性质

（a）PC中Li+，Na+和K+的斯托克斯半径 （b）Li离子的电子运动机制示意图 （c）Li（001）上Li原子和K（001）上K原子的吸附能分布（d）沿着最小能量路径（MEP）进行自我扩散的原子构型，吸附原子在交换机制中处于四重空心

图4.性能表征

（a）C，O，F和Na的原子分数作为SEI深度的函数，由X射线光电子能谱（XPS）深度分布谱计算得出 （b）在不同电解质中形成的SEI组合物的示意图以及电荷转移能垒的比较（c）用于KPF6和KFSI电解液的Bi/rGO电极的表面高度图和表面电势图 （d）在50 mA/g的条件下比较带有各种电解质（有或没有FEC）的电池的循环性能 （e）三氟甲磺酸钠(NaOTf)-H2O二元体系中的溶剂化结构

图5.电池电解质和SEI的研究

（a）在不同电解质循环的锂金属上进行不同时间的Ar+溅射后，SEI的组成 （b）在不同电解质中形成的不同SEI和CEI化学的示意图（c）各种溅射时间后的O和F XPS光谱以及从XPS深度剖析得出的SEI结构 （d）源自cryo-STEM的SEI结构的示意图

图6.不同SEI示意图

（a）在平面和多孔铝箔上沉积钠的示意图 （b）在裸露的Na箔和带有MLD的Alucone涂层的Na箔上进行Na剥离/电镀的示意图 （c）陶瓷固体电解质颗粒与钠金属的接触模型，其具有在镀钠过程中具有良好润湿能力的人工夹层 （d）β/ β’’-Al2O3纳米线（Ans）–凝胶聚合物电解质（GPE）的结构和钠离子迁移机理

图7.两种策略：直接在圆柱电池中采用液态K-Na金属，或采用吸收在多孔膜中的液态金属

（a）固态金属阳极转变为液态合金阳极以抑制枝晶形成的示意图 （b）K2O层（KOL）@Na–K合金的制造过程示意图 （c）室温下Na-K碱合金的液化过程，以及室温下通过真空渗透将液态Na-K固定在多孔膜中的过程（d）液态Na–K合金吸收前后的铜和铝多孔膜的数字和显微图像

图8.Na-K合金用于阳极

（a）从碳中提取K-Na液体 （b）液态Na-K合金用于阳极的示意图

【小结】

能源危机和环境污染要求大规模储能技术的发展。在各种商业化技术中，电池由于其相对较高的能量密度和较长的循环寿命而引起了极大的关注。然而，锂矿物的供应有限和分布不均，以及其高昂的成本，极大地阻碍了锂离子电池在大规模储能中的应用。因此，构建具有低成本，长寿命和高安全性的下一代替代可充电电池是最重要的。在过去的几年中，我们见证了钠和钾离子电池（SIB和PIB）在电极和电解质材料方面的许多成功研究成果。这篇综述总结了SIB/PIB的当前发展及其在面对实际应用时所面临的挑战，包括它们的成本，能量密度，固体/电解质/中间相中的离子扩散率，循环寿命和安全性问题。最后，文章概述了这两种电池化学技术未来发展的几个可能方向，希望能帮助从实验室向电网规模储能的SIBs/PIBs电池过渡到下一代实际应用。

文献链接：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

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。