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NIBs的工作原理和电池设计与锂离子电池的工作模式类似,根本区别在于电荷载体是钠离子(Na+)。如图1所示,使用摇椅机制通过化学能和电能相互转化来储存能量。在充电过程中,电能用于促进电子从阴极移动到阳极。同时,通过钠离子从阴极释放并通过电解质移到阳极来维持电中性。在放电过程中,流程是相反的。然而,从设计的角度看,Na的离子半径(1.02 Å)比Li(0.76 Å)大得多,所以找到合适的阳极材料来容纳钠离子,而且同时能够快速插入和拔出,是非常有挑战性的。石墨常用于锂离子电池的阳极材料,它不支持钠的插入,所以大量的研究集中在开发其他合适的电极上。由于碳基阳极材料的高丰度和低成本,它仍然是最有前景的NIBs体系[5]。为了获得高可逆容量,大部分设计着重于制作具有大量微孔的阳极材料,且只有钠离子可以进入。筛分碳(具有高度可调的纳米孔和收紧的孔入口)[6],生物质的硬碳[7]或具有定制孔隙网络的硬碳只是提议里的高能碳阳极的例子。
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