钠离子电池的原位产气现象及其作用机制探讨

武汉电弛新能源有限公司

2023/09/27 16:40

钠离子电池是一种利用钠离子(Na+)作为电荷载体的可充电电池。与锂离子电池类似，钠离子电池也是由正极（层状过渡金属氧化物NaxMO2、普鲁士白类、聚阴离子化合物(XOm)n-）、负极（无定形硬碳、无定形软碳、钠合金、金属氧化物）、隔膜、电解液（碳酸酯类有机溶剂）、电解质（六氟磷酸钠、高氯酸钠）、集流体（正负极均为铝箔）等结构组成。

在充电过程中，正极上的钠原子失去电子，电子从外电路到达负极，而钠离子通过隔膜从正极脱出并嵌入到负极材料中；而在放电过程中，负极上的钠原子失去电子从负极脱出，经过隔膜迁移嵌入回正极。

图片来源：中科海钠，中国银河证券研究院

与锂相比，钠的丰度和成本较低，因此钠电池作为锂电池的潜在替代品受到了广泛关注。同时也面临着一些挑战，比如能量密度和功率密度较锂电池低、与固体电解质界面（SEI）和电极材料稳定性相关的问题。

目前，关于钠电池研究的重点是：开发合适的电极材料、电解质和SEI稳定剂，以提高钠电池的性能和循环稳定性。

此外，了解钠电池运行过程中的产气对于解决界面稳定性问题以及优化电池设计和性能也至关重要。

钠离子电池中气体的析出机理包括几个过程。在开路过程中，钠电极表面的电解质发生自发还原，从而释放出氢气H2、二氧化碳CO2和乙烯C2H4等气体。

钠电池的产气行为较复杂，受多种因素影响。电解质溶剂的选择，如线性和环状结构的碳酸盐，在产气中起到了关键作用。

线性结构的碳酸盐在升高到一定电压后就不会再释放气体，但它们在还原后会不断被消耗并释放H2和烷烃气体（如甲烷CH4，乙烷C2H6）。

而环状结构的碳酸盐能够形成更稳定的固体电解质界面层（SEI），H2和烯烃是主要的还原气体。

正极和负极之间的串扰也会导致气体的释放。例如，H2可能是由电池内的水和杂质被还原产生的，但可溶物质氧化释放的质子也可以被还原为H2。二氧化碳可以有多种来源，包括质子对碳酸盐的化学分解和路易斯碱（如H2O、OH-、CH3ONa）催化开环的环状碳酸盐。

电解质中的添加剂也会影响气体的析出。例如，一些添加剂有助于形成更稳定的SEI层，但可能导致额外的二氧化碳释放。正极材料的选择也会影响气体的释放。

1.安全性：气体的释放会导致电池内部压力的积聚，从而导致泄漏、膨胀甚至破裂。了解电池的产气行为有助于设计更安全的电池系统并防止潜在危险。

2.性能和效率：电池产气可能与电池内部的副反应和寄生反应有关，这会降低电池的整体效率和性能。通过研究电池产气，研究人员可以识别并抑制这些反应，从而提高电池性能并延长循环寿命。

3.电极和电解质稳定性：气体的析出通常与电极材料和电解质的稳定性有关。通过研究电池产气，研究人员可以深入了解降解机制，并确定提高电极和电解质稳定性的策略，从而提高电池的整体耐用性。

4.了解电池化学：电池产气为电池内部发生的潜在电化学过程提供了有价值的信息。通过研究电池在不同运行阶段释放的气体，研究人员可以更深入地了解界面行为、电极反应和降解机制，从而指导新电极材料和电解质的开发。

总的来说，研究钠离子电池中的气体演化行为对于提高电池的安全性、性能和理解这些电池的基本化学成分至关重要，最终导致开发更高效、更可靠的储能系统。

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电弛DCGPT原位产气量测定仪

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参考文献

(1)Unraveling gas evolution in sodium batteries by online electrochemical mass spectrometry. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.005

(2)《锂离子电池制造工艺原理与应用》，杨绍斌

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