利用微波快速简便地生产钠离子电池阳极材料的方法

Josiah02

一个研究团队开发出了一种工艺技术，利用微波感应加热可以在30秒内超快速地制备钠离子电池的硬碳阳极。
钠离子电池是下一代二次电池之一，使用钠（Na）代替目前的主要材料锂（Li）。钠是盐的主要成分，其储量比锂丰富一千多倍，而且更容易提取和提炼。此外，与锂相比，钠的反应性较低，这意味着用于电池时具有更高的电化学稳定性，使其更有利于快速充电和放电，同时即使在低温下也能保持性能。
尽管钠离子电池具有这些优势，但由于制造工艺复杂，钠离子电池也面临着重大挑战，包括与锂离子电池相比，其能量密度较低、使用寿命较短。钠离子的尺寸比锂离子大，因此必须使用硬碳，硬碳的层间距比目前阳极材料的主流——石墨更大。
硬碳在自然界中不存在，因此必须合成。制备过程非常复杂，需要将碳氢化合物材料（植物和聚合物的主要成分）在无氧环境中加热超过 1,000°C 的时间。这种“碳化”过程在经济和环境上都很繁重，这一直是钠离子电池商业化的关键障碍。
在众多试图解决这一挑战的团队中，由 Kim 博士和 Park 博士领导的团队提出了一种利用微波技术的快速加热方法，这种技术我们在厨房的微波炉中很容易找到。他们首先通过将聚合物与少量高导电性碳纳米管混合来创建薄膜。然后，他们将微波磁场施加到薄膜上以在碳纳米管中感应出电流，在短短 30 秒内将薄膜选择性地加热到 1,400°C 以上。
经过多年的研究，KERI 开发出一种利用微波磁场对金属等导电薄膜进行均匀热处理的技术。该技术在显示器和半导体等工业过程中引起了广泛关注。KERI 的纳米混合技术研究中心被公认为韩国领先的碳纳米材料技术中心。Kim 博士和 Park 博士利用该中心的能力，进军钠离子电池阳极材料领域，并取得了令人欣喜的成果。
成功的关键在于团队自主研发的“多物理场模拟”技术，对微波频段电磁场作用于纳米材料时发生的复杂过程有了深刻理解，并由此创造出一种制备钠离子电池阳极材料的新工艺。
这项研究发表在《化学工程杂志》上。该论文的共同第一作者是参与 KERI 学术研究合作研究项目的学生研究员 Geongbeom Ryoo 和 Jiwon Shin。
硬碳是钠离子电池的阳极材料，可通过微波感应加热快速制备。图片来源：韩国电气技术研究院
“由于最近发生的电动汽车火灾，人们对更安全且在寒冷条件下运行良好的钠离子电池的兴趣日益浓厚。然而，阳极碳化工艺在能源效率和成本方面存在显著劣势，”Jong Hwan Park 博士说。Daeho Kim 博士补充道：“我们的微波感应加热技术可以快速轻松地制备硬碳，我相信这将有助于钠离子电池的商业化。”
未来，该团队计划继续致力于提高阳极材料的性能，并开发大面积硬碳膜的连续量产技术。他们还看到了微波感应加热技术在其他领域的应用潜力，例如需要高温烧结的全固态电池，这值得进一步研究。
KERI 已经完成国内专利申请，预计这项技术将吸引储能材料领域公司的极大兴趣，并期待与潜在的行业合作伙伴达成技术转让协议。
该团队由韩国电气技术研究院（KERI）纳米混合技术研究中心的 Daeho Kim 博士和 Jong Hwan Park 博士领导。