钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究(八)

第Ⅱ部分 钨在新能源电池市场的介绍
第八章 钨在钠离子电池中的应用

金属钨(Tungsten,W)是一种过渡金属,属￿第6周期的第6族元素。由于钨离子的半径小,电价高,极化能力强,易形成络阴离子,因此钨主要以络阴离子形式(WO4)2-,与溶液中的Fe2+、Mn2+、Ca2+等阳离子结合形成黑钨矿或白钨矿沉淀。

金属钨是一种银白色的金属,具有硬而高的密度,其密度为19.35克/立方厘米,与黄金相近,熔点为3422℃,沸点为5927℃。钨的蒸发速度慢,化学性质稳定,主要用来制造灯丝和高速切削合金钢、超硬模具、光学仪器、化学仪器等。

钨矿图片

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金属钨除了有上述用途之外,还可以应用于电池领域中。据中钨在线了解,纳米黄色氧化钨、针状紫色氧化钨、棒状紫色氧化钨、二硫化钨空心球、二硫化钨纳米片、二硒化钨纳米片、纳米钨酸、纳米氮化钨、钨酸钠、钨酸锌及其它钨化合物都能很好地应用于钠离子电池(钠电池)正极材料、负极材料、电解液和隔膜中。

钨化合物在钠离子电池中的应用主要体现在以下几个方面:

钨化合物可以作为钠电池的负极材料。钨化合物具有良好的电化学性能和稳定性,能够有效地储存和释放钠离子。通过调整钨化合物的结构或组成,可以进一步优化其电化学性能,提高电池的能量密度和循环稳定性。

中钨在线纳米黄色氧化钨图片

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钨化合物可以作为钠电池电解质的添加剂。钨化合物可以改善电解质的离子导电性和稳定性,提高电池的充放电速率和倍率性能。同时,钨化合物还可以与电解质中的其他组分相互作用,形成稳定的复合物,进一步优化电池的性能。

钨化合物可以作为钠离子电池隔膜的材料之一。钨化合物具有良好的机械强度和耐高温性能,能够承受钠电池工作过程中的高温和高压环境,保证电池的安全性和稳定性。同时,钨化合物还可以提高隔膜的离子导通性和选择性,进一步提高电池的性能。

中钨在线纳米二硫化钨图片

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需要注意的是,虽然钨化合物在钠电池中具有潜在的应用价值,但是其制备成本较高,且在充放电过程中可能会发生体积变化等问题,因此需要进一步的研究和开发工作来提高其性能和降低成本。同时,还需要考虑钨化合物的环保性和可持续性问题,以符合未来电池产业的发展趋势。

众所周知,钠离子电池是一种二次电池,其工作原理与锂离子电池相似,主要依靠钠离子在正极和负极之间移动。在充放电过程中,Na+在两个电极之间往返嵌入和脱出;充电时,Na+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极;放电时则相反。

钠离子电池图片

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与锂离子电池相比,钠离子电池具有以下优势:(1)钠盐原材料储量丰富,价格低廉,采用铁锰镍基正极材料相比较锂电池三元材料,原料成本降低一半。(2)钠盐特性允许使用低浓度电解液,降低了成本。(3)钠离子不会与铝形成合金,负极可采用铝箔作为集流体,进一步降低成本和重量。(4)钠离子电池没有过放电特性,允许放电到零伏。(5)钠离子电池的能量密度大于100Wh/kg,可与磷酸铁锂电池相媲美,但其成本优势明显,有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。

据中钨在线了解,近年来,我国钠离子电池产业链的发展势头强劲。众多企业,如宁德时代、中科海钠、钠创新能源和传艺科技等都在积极布局钠离子电池产能。中商情报网消息显示,截至2023年6月底,我国已经投产的钠离子电池专用产能达到了10GWh,与2022年年底相比增长了8GWh;预计在2023年全年,我国钠电池专用量产线产能将达到39.7GWh,主要的产能来自于宁德时代、海四达和湖南立方等企业;预计到2025年底,我国钠电池专用量产线产能将达到275.8GWh;预计2026年全球钠离子电池需求将达116GWh。

8.1 氧化钨在钠离子电池中的应用

氧化钨(WO3-x)作为一种具有优异电化学性能的过渡金属氧化物,在钠离子电池中具有广泛的应用前景。氧化钨作为正极材料,具有高能量密度、长循环寿命和良好的安全性能等特点。在钠电池中,WO3-x可以与钠离子发生可逆的氧化还原反应,从而实现能量的储存和释放。同时,WO3-x还具有较高的电导率和良好的化学稳定性,有利于提高钠离子电池的充放电效率和循环寿命。

中钨在线纳米黄色氧化钨图片

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除了作为正极材料,氧化钨还可以作为负极材料。在钠电池中,负极材料需要具有良好的电化学性能和稳定性,以适应钠离子的嵌入和脱嵌过程。WO3-x具有较高的电化学活性和稳定性,可以满足钠离子电池负极材料的要求。同时,WO3-x还具有较高的容量和良好的循环寿命,有利于提高电池的能量密度和充放电效率。

除了作为正负极材料,氧化钨还可以在钠离子电池中作为电解质、隔膜等材料。例如,WO3-x可以作为电解质中的添加剂,提高电解质的电导率和稳定性;同时,WO3-x还可以作为隔膜材料,提高隔膜的机械强度和化学稳定性,有利于提高钠电池的安全性和寿命。

虽然氧化钨在钠离子电池中具有广泛的应用前景,但仍存在一些挑战需要解决。首先,WO3-x的制备工艺相对复杂,需要精确控制反应条件和反应时间,否则容易造成材料的结构不稳定或尺寸不均匀等问题。其次,WO3-x的电化学性能还需要进一步提高,以满足钠电池的高能量密度和长循环寿命的要求。此外,还需要进一步研究氧化钨与其他材料的复合应用,以提高其在钠电池中的综合性能。

中钨在线纳米紫色氧化钨图片

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8.1.1 钠电池正极材料用黄色氧化钨

8.1.2 钠电池负极材料用黄色氧化钨

8.1.3 钠电池正极材料用紫色氧化钨

8.1.4 钠电池负极材料用紫色氧化钨

8.1.5 钠电池电极材料用氧化钨的挑战

8.2 二硫化钨在钠离子电池中的应用

8.2.1 钠电池正极材料用二硫化钨空心球

钠离子电池正极材料是近年来备受关注的新能源材料之一,它们在电池性能和成本方面具有重要影响。目前,钠离子电池正极材料主要包括层状氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子化合物等。

层状氧化物是一种常见的钠离子电池正极材料,具有较高的理论容量和良好的电化学性能。它们通常具有开放式的结构,能够容纳大量的钠离子,并且在充放电过程中具有良好的可逆性。然而,层状氧化物在充放电过程中容易发生体积效应,导致结构不稳定和容量衰减。为了解决这个问题,研究人员提出了用二硫化钨来改性层状氧化物的方法。二硫化钨具有稳定的晶体结构和良好的电化学性能,可以有效地提高层状氧化物的稳定性和循环性能。

普鲁士蓝类化合物是一种具有较高能量密度和良好循环性能的钠离子电池正极材料。它们通常具有稳定的框架结构,能够容纳大量的钠离子,并且在充放电过程中具有良好的可逆性。然而,普鲁士蓝类化合物存在容量衰减的问题,这可能会影响电池的寿命和性能。为了改善这个问题,研究人员提出了用二硫化钨来改性普鲁士蓝类化合物的方法。二硫化钨可以与普鲁士蓝类化合物中的铁离子发生相互作用,形成稳定的复合物,从而提高普鲁士蓝类化合物的稳定性和循环性能。

普鲁士蓝类化合物图片

普鲁士蓝类化合物图片

聚阴离子化合物是一种具有优异稳定性和循环性能的钠离子电池正极材料。它们通常具有稳定的框架结构,能够容纳大量的钠离子,幷且在充放电过程中具有良好的可逆性。然而,聚阴离子化合物的理论容量较低,这可能会限制其在高性能电池中的应用。为了提高聚阴离子化合物的理论容量,研究人员提出了用二硫化钨来改性聚阴离子化合物的方法。二硫化钨可以与聚阴离子化合物中的阴离子发生相互作用,形成稳定的复合物,从而提高聚阴离子化合物的理论容量和循环性能。

中钨在线纳米二硫化钨图片

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综上所述,不同类型的钠离子电池正极材料具有不同的优势和劣势。在选择正极材料时,需要考虑电池的性能要求、成本、寿命等因素。同时,通过用二硫化钨来改性层状氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子化合物等方法,可以进一步优化这些材料的性能和应用范围。未来,随着技术的不断进步和研究的深入,相信会有更多优秀的钠离子电池正极材料被发现和应用。

8.2.2 钠电池负极材料用二硫化钨空心球

钠离子电池是近年来备受关注的一种新型储能电池,由于其原料易得、生产成本较低和性能优越等特点,被认为是一种理想的锂离子电池替代品。然而,钠离子电池在实际应用中仍然存在一些问题,其中最主要的问题是负极材料的储钠性能较差。

钠离子电池图片

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钠离子电池负极材料的选择需要满足一系列要求。首先,工作电压应该尽可能低,以降低电池的内部消耗。其次,比容量要高,以确保电池能够储存更多的能量。此外,材料的结构要稳定,体积变化小,这样才能保证电池的循环寿命和稳定性。首周库仑效率也要高,这样可以提高电池的能量转换效率。

目前,钠离子电池负极材料主要包括碳基、钛基、有机类和合金类等。常见的碳基材料包括石墨、石墨烯、硬碳、软碳等。然而,由于钠离子的半径较大,石墨等传统负极材料在钠离子嵌入过程中容易破坏其结构,导致电池性能下降。因此,需要寻找新的负极材料来满足钠离子电池的需求。值得一提的是,一些具有层状结构的材料如二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)被认为是有潜力的候选者。这些材料具有较大的层间距,可以容纳钠离子的嵌入和脱嵌,同时保持稳定的结构。

二硫化钨空心球是一种特殊的WS2纳米材料,颗粒形貌为空心球,在许多领域具有广泛的应用前景,如能源存储、催化、传感器等。在能源存储领域,由于材料的内部空间较大,所以WS2空心球具有较高的比表面积和良好的孔洞分布,这可以有效地增加电极材料的活性物质负载量,提高电池的能量密度和功率密度。此外,WS2空心球具有较好的电化学性能,能够有效地提高电池的充放电效率和循环寿命。

ws2空心球图片

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据中钨在线了解,为了开发储钠性能良好的负极材料,福州大学研究者(专利文档序号为28486888)制备出由二硫化钨纳米片组成分等级空心球。这种WS2空心球具有许多优点。首先,其层间距较大,约为1.02nm,具有良好的储钠性能,有利于钠离子在其中的嵌入与脱嵌。其次,由于其空心结构,可以避免负极材料发生体积膨胀的问题,从而提高了电池的循环寿命。此外,WS2还具有优异的热化学稳定性和化学稳定性,可以在高温和腐蚀性环境下保持稳定的性能。

溶剂热法制备金属相1t-WS2空心球的步骤如下:准备原料:将0.255g二氯化钨和0.375g硫代乙酰胺放入一个干净的烧杯中。加入溶剂:向烧杯中加入20ml异丙醇和10ml乙醇,幷搅拌均匀。搅拌:用玻璃棒或搅拌器搅拌混合物,确保所有原料都充分溶解。转移至反应釜:将混合物转移到反应釜中,确保反应釜密封良好。加热反应:将反应釜放入烘箱中,设置温度为200℃幷保持24小时。冷却:反应结束后,将反应釜从烘箱中取出,让其自然冷却至室温。离心分离:将冷却后的混合物进行离心分离,分离出固体产物。洗涤:用乙醇和去离子水对固体产物进行洗涤,以去除杂质。烘干:将固体产物放入真空烘箱中,设置温度为70℃幷保持一段时间,直到完全干燥。(来源:文档序号28486888的专利)

中钨在线纳米二硫化钨图片

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钠电池金属相1t-WS2空心球负极材料的制备步骤:混合材料:按质量比7:2:1将金属相1t-WS2空心球、乙炔黑和PVDF(聚偏氟乙烯粘结剂)混合均匀。涂布制备:将混合好的材料均匀涂布在铜箔上,作为钠电池的负极材料。干燥处理:将涂布好的铜箔放入真空烘箱中,设置温度为70℃幷保持一段时间,直到材料完全干燥。电池组装:将干燥后的铜箔作为负极材料与正极材料、隔膜、电解液等组装成钠电池。测试性能:对组装好的钠电池进行充放电测试、循环寿命测试等性能测试,以评估其性能。(来源:文档序号28486888的专利)

在钠电池中,负极材料的性能直接影响到电池的整体性能。因此,开发储钠性能良好的负极材料是钠电池研究中的重要方向之一。福州大学的研究者们通过制备二硫化钨空心球作为钠离子电池的负极材料,为解决钠电池在实际应用中的问题提供了一种新的思路和方法。

虽然目前二硫化钨空心球在钠电池中的应用还处于实验室阶段,但是随着技术的不断进步和研究的深入,相信未来会有更多的应用场景出现。同时,随着环保意识的不断提高和新能源产业的不断发展,钠电池作为一种环保、高效、低成本的储能电池将会得到更加广泛的应用。

钠离子电池图片

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8.2.3 钠电池正极材料用二硫化钨纳米片

8.2.4 钠电池负极材料用二硫化钨纳米片

8.2.5 钠电池负极材料用二硫化钨纳米管

8.2.6 钠电池电极材料用二硫化钨的挑战

8.3 二硒化钨在钠离子电池中的应用

8.3.1 钠电池正极材料用二硒化钨

8.3.2 钠电池负极材料用二硒化钨

8.3.3 钠电池电极材料用二硒化钨的挑战

8.4 纳米钨酸在钠离子电池中的应用

随着对可再生能源和高性能储能系统的需求不断增长,钠电池作为一种具有潜力的替代技术逐渐受到关注。纳米钨酸作为一种新型的电极材料,展现出在钠离子电池中应用的潜力。

中钨在线纳米钨酸图片

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钨酸是一种含有钨和氧的化合物,是指钨酸的纳米级别的颗粒,具有良好的储荷性能、电导率、电化学性能、化学稳定性和可调变的氧化态。通过纳米化处理,钨酸的比表面积得到提高,从而增加了与电解质之间的接触面积,提高了其电极活性在,增强钠离子扩散速率。

研究表明,纳米钨酸电极材料在充放电过程中能够实现可逆的氧化还原反应,表现出较高的循环稳定性和可逆容量;由于其纳米结构和多氧化态的特性,纳米钨酸能够实现高比容量的储能。纳米钨酸的纳米结构有助于提高钠离子在电极材料中的扩散速度,从而提高电池的功率性能,实现更快的充放电速率。相比一些传统的电极材料,纳米钨酸在钠离子嵌入/脱嵌过程中表现出较好的抗膨胀特性,有助于维持电池的结构稳定性。含有纳米钨酸的电极材料经过1000次循环充放电测试,显示出高达90%以上的容量保持率,表明其具有出色的循环寿命。

电池容量的测试图片

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8.4.1 钠电池正极材料用纳米钨酸

钠电池正极材料是钠电池的核心组成部分,其性能直接影响到电池的整体性能。目前,钠电池正极材料主要包括层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物等。其中,层状氧化物包括钠镍氧化物(NaxNiO2)、钠锰氧化物(NaxMnO2),具有层状结构,其中钠离子可以在层间插入/脱插。聚阴离子化合物包括钠硫化物(Na2S)、钠硫(Na2Sx),其特点是具有多个阴离子,为电池的嵌入/脱嵌过程提供了多种氧化还原反应。普鲁士蓝类似物具有均匀的晶体结构,其中钠离子可以嵌入/脱嵌,发生氧化还原反应。

中钨在线纳米钨酸图片

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纳米钨酸是一种潜在的正极材料改性剂,它可以与层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝及其他钠离子电池正极材料结合,提高其电化学性能和稳定性。

具体来说,纳米钨酸的引入增加了正极材料的比表面积,有效提高了电池的储能能力。纳米钨酸的结构稳定性及其多氧化态的特性可以有效提高现有钠离子电池正极材料的循环稳定性,这将有助于减缓正极材料的结构变化,延长电池的寿命。纳米钨酸通过提高电池的导电性能,改善了电池的功率性能。

综上所述,纳米钨酸改性钠电池正极材料具有多方面的优势和潜力。然而,目前对于纳米钨酸在钠电池中的应用研究仍处于初级阶段,未来需要进一步探索其制备工艺、优化配方、提高生产效率等方面的研究,以推动钠电池技术的快速发展和应用普及。

中钨在线纳米钨酸图片

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8.4.2 钠电池负极材料用纳米钨酸

8.4.3 钠电池电极材料用纳米钨酸的挑战

8.5 氮化钨在钠离子电池中的应用

8.5.1 钠电池正极材料用纳米氮化钨纳米

8.5.2 钠电池负极材料用纳米氮化钨纳米

8.5.3 钠电池电极材料用纳米氮化钨的挑战

8.6 钨酸钠在钠离子电池中的应用

8.6.1 钠电池负极材料用纳米钨酸钠

8.6.2 钠电池电极材料用纳米钨酸钠的挑战

8.7 钨酸锌在钠离子电池中的应用

8.7.1 钠电池负极材料用钨酸锌

8.7.2 钠电池电极材料用钨酸锌的挑战

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