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第Ⅱ部分鎢在新能源電池市場的介紹
第八章鎢在鈉離子電池中的應(yīng)用

金屬鎢（Tungsten，W）是一種過渡金屬，屬?第6周期的第6族元素。由于鎢離子的半徑小，電價(jià)高，極化能力強(qiáng)，易形成絡(luò)陰離子，因此鎢主要以絡(luò)陰離子形式(WO4)2-，與溶液中的Fe2+、Mn2+、Ca2+等陽離子結(jié)合形成黑鎢礦或白鎢礦沉淀。

金屬鎢是一種銀白色的金屬，具有硬而高的密度，其密度為19.35克/立方厘米，與黃金相近，熔點(diǎn)為3422℃，沸點(diǎn)為5927℃。鎢的蒸發(fā)速度慢，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，主要用來制造燈絲和高速切削合金鋼、超硬模具、光學(xué)儀器、化學(xué)儀器等。

鎢礦圖片

金屬鎢除了有上述用途之外，還可以應(yīng)用于電池領(lǐng)域中。據(jù)中鎢在線了解，納米黃色氧化鎢、針狀紫色氧化鎢、棒狀紫色氧化鎢、二硫化鎢空心球、二硫化鎢納米片、二硒化鎢納米片、納米鎢酸、納米氮化鎢、鎢酸鈉、鎢酸鋅及其它鎢化合物都能很好地應(yīng)用于鈉離子電池（鈉電池）正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜中。

鎢化合物在鈉離子電池中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

鎢化合物可以作為鈉電池的負(fù)極材料。鎢化合物具有良好的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性，能夠有效地儲存和釋放鈉離子。通過調(diào)整鎢化合物的結(jié)構(gòu)或組成，可以進(jìn)一步優(yōu)化其電化學(xué)性能，提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

中鎢在線納米黃色氧化鎢圖片

鎢化合物可以作為鈉電池電解質(zhì)的添加劑。鎢化合物可以改善電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，提高電池的充放電速率和倍率性能。同時(shí)，鎢化合物還可以與電解質(zhì)中的其他組分相互作用，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，進(jìn)一步優(yōu)化電池的性能。

鎢化合物可以作為鈉離子電池隔膜的材料之一。鎢化合物具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性能，能夠承受鈉電池工作過程中的高溫和高壓環(huán)境，保證電池的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，鎢化合物還可以提高隔膜的離子導(dǎo)通性和選擇性，進(jìn)一步提高電池的性能。

中鎢在線納米二硫化鎢圖片

需要注意的是，雖然鎢化合物在鈉電池中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但是其制備成本較高，且在充放電過程中可能會發(fā)生體積變化等問題，因此需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)工作來提高其性能和降低成本。同時(shí)，還需要考慮鎢化合物的環(huán)保性和可持續(xù)性問題，以符合未來電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

眾所周知，鈉離子電池是一種二次電池，其工作原理與鋰離子電池相似，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動。在充放電過程中，Na+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫出；充電時(shí)，Na+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時(shí)則相反。

鈉離子電池圖片

與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有以下優(yōu)勢：（1）鈉鹽原材料儲量豐富，價(jià)格低廉，采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰電池三元材料，原料成本降低一半。（2）鈉鹽特性允許使用低濃度電解液，降低了成本。（3）鈉離子不會與鋁形成合金，負(fù)極可采用鋁箔作為集流體，進(jìn)一步降低成本和重量。（4）鈉離子電池沒有過放電特性，允許放電到零伏。（5）鈉離子電池的能量密度大于100Wh/kg，可與磷酸鐵鋰電池相媲美，但其成本優(yōu)勢明顯，有望在大規(guī)模儲能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。

據(jù)中鎢在線了解，近年來，我國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。眾多企業(yè)，如寧德時(shí)代、中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源和傳藝科技等都在積極布局鈉離子電池產(chǎn)能。中商情報(bào)網(wǎng)消息顯示，截至2023年6月底，我國已經(jīng)投產(chǎn)的鈉離子電池專用產(chǎn)能達(dá)到了10GWh，與2022年年底相比增長了8GWh；預(yù)計(jì)在2023年全年，我國鈉電池專用量產(chǎn)線產(chǎn)能將達(dá)到39.7GWh，主要的產(chǎn)能來自于寧德時(shí)代、海四達(dá)和湖南立方等企業(yè)；預(yù)計(jì)到2025年底，我國鈉電池專用量產(chǎn)線產(chǎn)能將達(dá)到275.8GWh；預(yù)計(jì)2026年全球鈉離子電池需求將達(dá)116GWh。

8.1 氧化鎢在鈉離子電池中的應(yīng)用

氧化鎢（WO3-x）作為一種具有優(yōu)異電化學(xué)性能的過渡金屬氧化物，在鈉離子電池中具有廣泛的應(yīng)用前景。氧化鎢作為正極材料，具有高能量密度、長循環(huán)壽命和良好的安全性能等特點(diǎn)。在鈉電池中，WO3-x可以與鈉離子發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的儲存和釋放。同時(shí)，WO3-x還具有較高的電導(dǎo)率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，有利于提高鈉離子電池的充放電效率和循環(huán)壽命。

中鎢在線納米黃色氧化鎢圖片

除了作為正極材料，氧化鎢還可以作為負(fù)極材料。在鈉電池中，負(fù)極材料需要具有良好的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性，以適應(yīng)鈉離子的嵌入和脫嵌過程。WO3-x具有較高的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性，可以滿足鈉離子電池負(fù)極材料的要求。同時(shí)，WO3-x還具有較高的容量和良好的循環(huán)壽命，有利于提高電池的能量密度和充放電效率。

除了作為正負(fù)極材料，氧化鎢還可以在鈉離子電池中作為電解質(zhì)、隔膜等材料。例如，WO3-x可以作為電解質(zhì)中的添加劑，提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性；同時(shí)，WO3-x還可以作為隔膜材料，提高隔膜的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，有利于提高鈉電池的安全性和壽命。

雖然氧化鎢在鈉離子電池中具有廣泛的應(yīng)用前景，但仍存在一些挑戰(zhàn)需要解決。首先，WO3-x的制備工藝相對復(fù)雜，需要精確控制反應(yīng)條件和反應(yīng)時(shí)間，否則容易造成材料的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或尺寸不均勻等問題。其次，WO3-x的電化學(xué)性能還需要進(jìn)一步提高，以滿足鈉電池的高能量密度和長循環(huán)壽命的要求。此外，還需要進(jìn)一步研究氧化鎢與其他材料的復(fù)合應(yīng)用，以提高其在鈉電池中的綜合性能。

中鎢在線納米紫色氧化鎢圖片

8.1.1 鈉電池正極材料用黃色氧化鎢

8.1.2 鈉電池負(fù)極材料用黃色氧化鎢

8.1.3 鈉電池正極材料用紫色氧化鎢

8.1.4 鈉電池負(fù)極材料用紫色氧化鎢

8.1.5 鈉電池電極材料用氧化鎢的挑戰(zhàn)

8.2 二硫化鎢在鈉離子電池中的應(yīng)用

8.2.1 鈉電池正極材料用二硫化鎢空心球

鈉離子電池正極材料是近年來備受關(guān)注的新能源材料之一，它們在電池性能和成本方面具有重要影響。目前，鈉離子電池正極材料主要包括層狀氧化物、普魯士藍(lán)類化合物和聚陰離子化合物等。

層狀氧化物是一種常見的鈉離子電池正極材料，具有較高的理論容量和良好的電化學(xué)性能。它們通常具有開放式的結(jié)構(gòu)，能夠容納大量的鈉離子，并且在充放電過程中具有良好的可逆性。然而，層狀氧化物在充放電過程中容易發(fā)生體積效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和容量衰減。為了解決這個(gè)問題，研究人員提出了用二硫化鎢來改性層狀氧化物的方法。二硫化鎢具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)和良好的電化學(xué)性能，可以有效地提高層狀氧化物的穩(wěn)定性和循環(huán)性能。

普魯士藍(lán)類化合物是一種具有較高能量密度和良好循環(huán)性能的鈉離子電池正極材料。它們通常具有穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，能夠容納大量的鈉離子，并且在充放電過程中具有良好的可逆性。然而，普魯士藍(lán)類化合物存在容量衰減的問題，這可能會影響電池的壽命和性能。為了改善這個(gè)問題，研究人員提出了用二硫化鎢來改性普魯士藍(lán)類化合物的方法。二硫化鎢可以與普魯士藍(lán)類化合物中的鐵離子發(fā)生相互作用，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，從而提高普魯士藍(lán)類化合物的穩(wěn)定性和循環(huán)性能。

普魯士藍(lán)類化合物圖片

聚陰離子化合物是一種具有優(yōu)異穩(wěn)定性和循環(huán)性能的鈉離子電池正極材料。它們通常具有穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，能夠容納大量的鈉離子，幷且在充放電過程中具有良好的可逆性。然而，聚陰離子化合物的理論容量較低，這可能會限制其在高性能電池中的應(yīng)用。為了提高聚陰離子化合物的理論容量，研究人員提出了用二硫化鎢來改性聚陰離子化合物的方法。二硫化鎢可以與聚陰離子化合物中的陰離子發(fā)生相互作用，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，從而提高聚陰離子化合物的理論容量和循環(huán)性能。

中鎢在線納米二硫化鎢圖片

綜上所述，不同類型的鈉離子電池正極材料具有不同的優(yōu)勢和劣勢。在選擇正極材料時(shí)，需要考慮電池的性能要求、成本、壽命等因素。同時(shí)，通過用二硫化鎢來改性層狀氧化物、普魯士藍(lán)類化合物和聚陰離子化合物等方法，可以進(jìn)一步優(yōu)化這些材料的性能和應(yīng)用范圍。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，相信會有更多優(yōu)秀的鈉離子電池正極材料被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。

8.2.2 鈉電池負(fù)極材料用二硫化鎢空心球

鈉離子電池是近年來備受關(guān)注的一種新型儲能電池，由于其原料易得、生產(chǎn)成本較低和性能優(yōu)越等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的鋰離子電池替代品。然而，鈉離子電池在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問題，其中最主要的問題是負(fù)極材料的儲鈉性能較差。

鈉離子電池圖片

鈉離子電池負(fù)極材料的選擇需要滿足一系列要求。首先，工作電壓應(yīng)該盡可能低，以降低電池的內(nèi)部消耗。其次，比容量要高，以確保電池能夠儲存更多的能量。此外，材料的結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定，體積變化小，這樣才能保證電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。首周庫侖效率也要高，這樣可以提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

目前，鈉離子電池負(fù)極材料主要包括碳基、鈦基、有機(jī)類和合金類等。常見的碳基材料包括石墨、石墨烯、硬碳、軟碳等。然而，由于鈉離子的半徑較大，石墨等傳統(tǒng)負(fù)極材料在鈉離子嵌入過程中容易破壞其結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電池性能下降。因此，需要尋找新的負(fù)極材料來滿足鈉離子電池的需求。值得一提的是，一些具有層狀結(jié)構(gòu)的材料如二硫化鎢（WS2）、二硫化鉬（MoS2）被認(rèn)為是有潛力的候選者。這些材料具有較大的層間距，可以容納鈉離子的嵌入和脫嵌，同時(shí)保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

二硫化鎢空心球是一種特殊的WS2納米材料，顆粒形貌為空心球，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如能源存儲、催化、傳感器等。在能源存儲領(lǐng)域，由于材料的內(nèi)部空間較大，所以WS2空心球具有較高的比表面積和良好的孔洞分布，這可以有效地增加電極材料的活性物質(zhì)負(fù)載量，提高電池的能量密度和功率密度。此外，WS2空心球具有較好的電化學(xué)性能，能夠有效地提高電池的充放電效率和循環(huán)壽命。

ws2空心球圖片

據(jù)中鎢在線了解，為了開發(fā)儲鈉性能良好的負(fù)極材料，福州大學(xué)研究者（專利文檔序號為28486888）制備出由二硫化鎢納米片組成分等級空心球。這種WS2空心球具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，其層間距較大，約為1.02nm，具有良好的儲鈉性能，有利于鈉離子在其中的嵌入與脫嵌。其次，由于其空心結(jié)構(gòu)，可以避免負(fù)極材料發(fā)生體積膨脹的問題，從而提高了電池的循環(huán)壽命。此外，WS2還具有優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以在高溫和腐蝕性環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。

溶劑熱法制備金屬相1t-WS2空心球的步驟如下：準(zhǔn)備原料：將0.255g二氯化鎢和0.375g硫代乙酰胺放入一個(gè)干凈的燒杯中。加入溶劑：向燒杯中加入20ml異丙醇和10ml乙醇，幷攪拌均勻。攪拌：用玻璃棒或攪拌器攪拌混合物，確保所有原料都充分溶解。轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜：將混合物轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，確保反應(yīng)釜密封良好。加熱反應(yīng)：將反應(yīng)釜放入烘箱中，設(shè)置溫度為200℃幷保持24小時(shí)。冷卻：反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜從烘箱中取出，讓其自然冷卻至室溫。離心分離：將冷卻后的混合物進(jìn)行離心分離，分離出固體產(chǎn)物。洗滌：用乙醇和去離子水對固體產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，以去除雜質(zhì)。烘干：將固體產(chǎn)物放入真空烘箱中，設(shè)置溫度為70℃幷保持一段時(shí)間，直到完全干燥。（來源：文檔序號28486888的專利）

中鎢在線納米二硫化鎢圖片

鈉電池金屬相1t-WS2空心球負(fù)極材料的制備步驟：混合材料：按質(zhì)量比7:2:1將金屬相1t-WS2空心球、乙炔黑和PVDF（聚偏氟乙烯粘結(jié)劑）混合均勻。涂布制備：將混合好的材料均勻涂布在銅箔上，作為鈉電池的負(fù)極材料。干燥處理：將涂布好的銅箔放入真空烘箱中，設(shè)置溫度為70℃幷保持一段時(shí)間，直到材料完全干燥。電池組裝：將干燥后的銅箔作為負(fù)極材料與正極材料、隔膜、電解液等組裝成鈉電池。測試性能：對組裝好的鈉電池進(jìn)行充放電測試、循環(huán)壽命測試等性能測試，以評估其性能。（來源：文檔序號28486888的專利）

在鈉電池中，負(fù)極材料的性能直接影響到電池的整體性能。因此，開發(fā)儲鈉性能良好的負(fù)極材料是鈉電池研究中的重要方向之一。福州大學(xué)的研究者們通過制備二硫化鎢空心球作為鈉離子電池的負(fù)極材料，為解決鈉電池在實(shí)際應(yīng)用中的問題提供了一種新的思路和方法。

雖然目前二硫化鎢空心球在鈉電池中的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室階段，但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，相信未來會有更多的應(yīng)用場景出現(xiàn)。同時(shí)，隨著環(huán)保意識的不斷提高和新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鈉電池作為一種環(huán)保、高效、低成本的儲能電池將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

鈉離子電池圖片

8.2.3 鈉電池正極材料用二硫化鎢納米片

8.2.4 鈉電池負(fù)極材料用二硫化鎢納米片

8.2.5 鈉電池負(fù)極材料用二硫化鎢納米管

8.2.6 鈉電池電極材料用二硫化鎢的挑戰(zhàn)

8.3 二硒化鎢在鈉離子電池中的應(yīng)用

8.3.1 鈉電池正極材料用二硒化鎢

8.3.2 鈉電池負(fù)極材料用二硒化鎢

8.3.3 鈉電池電極材料用二硒化鎢的挑戰(zhàn)

8.4 納米鎢酸在鈉離子電池中的應(yīng)用

隨著對可再生能源和高性能儲能系統(tǒng)的需求不斷增長，鈉電池作為一種具有潛力的替代技術(shù)逐漸受到關(guān)注。納米鎢酸作為一種新型的電極材料，展現(xiàn)出在鈉離子電池中應(yīng)用的潛力。

中鎢在線納米鎢酸圖片

鎢酸是一種含有鎢和氧的化合物，是指鎢酸的納米級別的顆粒，具有良好的儲荷性能、電導(dǎo)率、電化學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)變的氧化態(tài)。通過納米化處理，鎢酸的比表面積得到提高，從而增加了與電解質(zhì)之間的接觸面積，提高了其電極活性在，增強(qiáng)鈉離子擴(kuò)散速率。

研究表明，納米鎢酸電極材料在充放電過程中能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的氧化還原反應(yīng)，表現(xiàn)出較高的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆容量；由于其納米結(jié)構(gòu)和多氧化態(tài)的特性，納米鎢酸能夠?qū)崿F(xiàn)高比容量的儲能。納米鎢酸的納米結(jié)構(gòu)有助于提高鈉離子在電極材料中的擴(kuò)散速度，從而提高電池的功率性能，實(shí)現(xiàn)更快的充放電速率。相比一些傳統(tǒng)的電極材料，納米鎢酸在鈉離子嵌入/脫嵌過程中表現(xiàn)出較好的抗膨脹特性，有助于維持電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。含有納米鎢酸的電極材料經(jīng)過1000次循環(huán)充放電測試，顯示出高達(dá)90%以上的容量保持率，表明其具有出色的循環(huán)壽命。

電池容量的測試圖片

8.4.1 鈉電池正極材料用納米鎢酸

鈉電池正極材料是鈉電池的核心組成部分，其性能直接影響到電池的整體性能。目前，鈉電池正極材料主要包括層狀氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類似物等。其中，層狀氧化物包括鈉鎳氧化物（NaxNiO2）、鈉錳氧化物（NaxMnO2），具有層狀結(jié)構(gòu)，其中鈉離子可以在層間插入/脫插。聚陰離子化合物包括鈉硫化物（Na2S）、鈉硫（Na2Sx），其特點(diǎn)是具有多個(gè)陰離子，為電池的嵌入/脫嵌過程提供了多種氧化還原反應(yīng)。普魯士藍(lán)類似物具有均勻的晶體結(jié)構(gòu)，其中鈉離子可以嵌入/脫嵌，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

中鎢在線納米鎢酸圖片

納米鎢酸是一種潛在的正極材料改性劑，它可以與層狀氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)及其他鈉離子電池正極材料結(jié)合，提高其電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。

具體來說，納米鎢酸的引入增加了正極材料的比表面積，有效提高了電池的儲能能力。納米鎢酸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其多氧化態(tài)的特性可以有效提高現(xiàn)有鈉離子電池正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，這將有助于減緩正極材料的結(jié)構(gòu)變化，延長電池的壽命。納米鎢酸通過提高電池的導(dǎo)電性能，改善了電池的功率性能。

綜上所述，納米鎢酸改性鈉電池正極材料具有多方面的優(yōu)勢和潛力。然而，目前對于納米鎢酸在鈉電池中的應(yīng)用研究仍處于初級階段，未來需要進(jìn)一步探索其制備工藝、優(yōu)化配方、提高生產(chǎn)效率等方面的研究，以推動鈉電池技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用普及。