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【后鋰電池】(一)鈉電池：從正極到固體電解質(zhì)

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由于負(fù)極可利用硬碳，與鋰離子充電電池研究一樣，探索可實(shí)現(xiàn)高容量化正極材料的開發(fā)也日益活躍。最近備受關(guān)注的是，可實(shí)現(xiàn)高容量化、且不同于鋰離子充電電池的正極材料。其中之一就是可利用鐵的3價(jià)和4價(jià)氧化還元反應(yīng)。鋰離子充電電池不會(huì)發(fā)生鐵氧化還原反應(yīng)，只能利用鎳、錳和鈷等過渡元素的氧化還原反應(yīng)。

實(shí)際上，東京理科大學(xué)發(fā)布的鐵類層狀正極材料Na2/3（Fe1/2Mn1/2）O2的比容量為190mAh/g。特點(diǎn)是，顯示出了鈉和氧形成三棱柱網(wǎng)格的P2型層狀構(gòu)造。

僅以鐵構(gòu)成的NaFeO2一般采用鈉和氧形成八面體網(wǎng)格的O3型積層構(gòu)造，以3.5V以上電壓充電時(shí)，隨著鐵離子的移動(dòng)會(huì)發(fā)生不可逆相變。而P2型Na2/3（Fe1/2Mn1/2）O2即使充電電壓超過3.5V，也可以根據(jù)鐵的氧化還原反應(yīng)獲得可逆容量，充電電壓提高至4.5V時(shí)仍能維持層狀構(gòu)造。

東京理科大學(xué)的研發(fā)小組認(rèn)為，雖然Na2/3（Fe1/2Mn1/2）O2的平均電壓只有2.75V，但比容量高，因此能確保能量密度超過正極材料采用LiFePO4的鋰離子充電電池（圖6）。另外，東京理科大學(xué)綜合研究機(jī)構(gòu)講師藪內(nèi)直明稱，目前通過使鐵和錳的比例各占一半來維持P2型，“如果減少錳的用量后仍能維持P2型的話，還能進(jìn)一步提高容量”。 

圖6：利用新的正極材料實(shí)現(xiàn)190mAh/g的比容量 東京理科大學(xué)在本屆電池研討會(huì)上就擁有高比容量的正極材料Na2/3（Fe1/2Mn1/2）O2發(fā)表了演講。鈉和氧以三棱柱構(gòu)造（P2型）排列（a）。通過錳和鐵的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了190mAh/g的高容量（b）。雖然新材料的平均電位稍低，只有2.75V，但作為電池可實(shí)現(xiàn)高能量密度（c）。