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鈉離子電池（SIBs）是一種新型的高能量密度電池。早在20世紀末80年代初，與鋰離子電池同期，SIBs的研究就已經(jīng)開始。但是由于鋰離子電池發(fā)展迅速，更多的研究重點都集中在鋰離子電池上，鈉離子電池并沒有得到很好的發(fā)展。如今由于鋰資源缺乏，又使鈉離子電池的研究重新獲得關注。鈉離子電池具有高能量密度、低成本、資源豐富等優(yōu)點被認為是鋰離子電池的理想替代品，目前國內(nèi)外的科研機構(gòu)和企業(yè)紛紛加入鈉離子電池的研究和開發(fā)中。

SIBs也是由正極材料、負極材料、電解質(zhì)和隔膜等關鍵部件構(gòu)成，其中負極材料是人們研究的焦點，近年來相關報道逐年增加。負極材料對鈉離子電池性能和循環(huán)壽命具有重要影響。據(jù)悉，不同的負極材料對應著不同的儲鈉方式，不同的儲鈉方式又影響鈉電池的儲能密度、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性等。因此，負極材料是決定鈉電產(chǎn)業(yè)化進程快慢的關鍵因素之一。

SIBs負極材料主要分為五種類型：碳基材料、鈦基材料、合金材料、有機化合物類、其他體系，其中碳基材料的技術成熟度最高，資源豐富，有望率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)碳原子的微觀結(jié)構(gòu)，碳基負極材料分為石墨類材料、無定形碳材料、納米碳材料。

一、石墨類

石墨具有高結(jié)晶度、規(guī)則的層片狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的導電性能，適合鋰離子在層間進行脫嵌。同時原材料豐富易得，價格也比較低廉，因此成為眾多研究者關注和開發(fā)的熱點。與堿金屬離子不同，鈉離子在碳酸酯類溶劑中難以對石墨層間進行有效嵌脫，這主要是石墨層間距小（0.335nm），不適于體積較大的Na+進行脫嵌，因此，在鋰離子電池中廣泛應用的石墨負極，在碳酸酯作溶劑的鈉離子電池中難以使用。

近年來，研究人員通過一些改性手段擴大石墨層間距，使其具備一定的容量取得了相關進展。石墨經(jīng)改性后能夠具備一定的儲鈉容量，并且具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，為石墨材料在SIBs中的應用帶來了希望。然而這些改性方法帶來的一個共性問題就是比表面積大，造成首次不可逆容量很大，這是改性石墨材料需要解決的關鍵問題。

二、無定型碳材料

無定形碳材料具有大的層間距和無序度，有利于Na+離子的脫嵌，是人們研究最多的一類負極材料。按照熱處理石墨化難易程度，分為軟碳和硬碳。軟碳在2800°C以上能完全石墨化，硬碳在高溫下也難以石墨化。軟、硬碳差別在于微觀結(jié)構(gòu)中碳層的交聯(lián)相互作用，根本取決于所用碳化前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)和形狀。相對而言，軟碳的制造成本較低，工藝易于控制，但比容量不及硬碳。硬碳的比容量較高，但首周效率往往較低，且其性能依賴于所用前驅(qū)體和處理工藝，產(chǎn)碳率較低。

近十幾年來科研工作者研究了很多具有大的層間距和無序結(jié)構(gòu)并且有利于Na+脫嵌的無定型碳負極材料，這些研究證明了無定型碳材料的可逆容量、循環(huán)性能以及倍率性能都取得了較大的突破。

三、納米碳材料

納米碳材料主要有石墨烯、碳納米管，這些電極儲鈉離子通常設計了兩種機理，一為離子插層，二為缺陷（包括雜原子、邊緣、空隙）的化學或物理吸附。相比較于離子插層，缺陷吸附通常有利于維持電極的結(jié)構(gòu)完整以及快速的吸附、脫離，由于其較少地涉及相變或結(jié)構(gòu)變化。

當前石墨烯復合材料作為SIBs的負極材料其納米結(jié)構(gòu)包含有片層裹覆式（活性材料被裹覆在石墨烯片層間）、三維密封式（活性材料被包裹以球形常見）、三明治或片層堆疊式。石墨烯作為支撐材料在復合電極中歸納為以下4大優(yōu)勢：

1、大面積的二維石墨烯納米片可以作為電化學活性材料生長和有效分散的基底；

2、三維連續(xù)石墨烯框架進一步避免了活性分子的團聚；

3、高導電性石墨烯支架構(gòu)建了電子傳輸?shù)目焖偻ǖ?，分級多孔納米結(jié)構(gòu)有利于快速的離子擴散；

4、石墨烯層由于其強的機械性能，以及三維石墨烯框架中的介孔或納米空隙，可以充當緩沖以減輕電化學反應前后的活性物質(zhì)體積變化。

簡而言之，石墨烯復合電極材料有利于實現(xiàn)高容量、快充、長循環(huán)電池系統(tǒng)。

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