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锂离子电池（LIB）是迄今为止使用最广泛的可充电电池类型，涵盖多种应用，其中包括消费电子产品、电动汽车、可再生能源系统和航天器。
尽管与其他可充电电池相比，锂离子电池在许多方面都具有最佳性能，但它们也有自己的缺点。锂是一种相当稀缺的资源，且未来随着供应量的减少，其价格将迅速上涨。此外，锂提取和锂离子电池不当废弃也带来了巨大的环境挑战，因为其中常用的液体电解质有毒且易燃。
锂离子电池的缺点促使世界各地的研究人员寻找替代储能技术。钠离子电池（NIB）和钾离子电池（KIB）是两种新兴电池，既经济高效又可持续。预计到本世纪末，NIB和KIB都将成为价值数十亿美元的产业。
据外媒报道，在此背景下，由日本东京理科大学（Tokyo University of Science，TUS）Shinichi Komaba教授领导的研究小组一直致力于开发用于NIB和KIB的突破性高容量电极材料。
相关研究发表于期刊《Advanced Energy Materials》。研究人员称开发出新纳米结构“硬碳”（HC）电极的新合成策略，可提供全新性能。该论文由TUS的Daisuke Igarashi先生、Yoko Tanaka女士、初级副教授Ryoichi Tatara以及日本国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science，NIMS）的Kei Kubota博士共同撰写。
与石墨烯或金刚石等其他形式的碳不同，HC是无定形的，缺乏明确的晶体结构，但坚固耐用。在2021年早些时候的一项研究中，Komaba教授及其同事发现了一种在合成NIB的HC电极时使用氧化镁（MgO）作为模板的方法，从而改变其最终的纳米结构。该过程导致在去除MgO后在电极内形成纳米孔，从而大大提高了电极存储Na+离子的能力。
受先前发现的启发，研究人员探索由锌（Zn）和钙（Ca）制成的化合物是否也可用作HC电极的纳米模板。为此，研究人员系统地研究了使用氧化锌（ZnO）和碳酸钙（CaCO3）制成的不同HC样品，并将其性能与使用氧化镁（MgO）合成的样品进行了比较。
初步实验表明，ZnO作为NIB负极特别有前景。因此，研究人员在合成过程中优化了嵌入HC基质中的ZnO浓度，展示出464 mAh g-1（相当于NaC4.8）的可逆容量，并具有91.7%的高初始库仑效率和相对于Na+/Na的0.18 V的低平均电势。
通过将这种强大的电极材料融入实际电池中，该团队取得了显著的成果。Komaba教授表示：“使用优化的ZnO模板HC作为负极制造的NIB表现出312 Wh kg-1的能量密度。这个值相当于目前商业化的某些LiFePO4和石墨LIB的能量密度，是我们实验室在2011年报告的第一批NIB能量密度（192 Wh kg-1）的1.6倍以上。”
值得注意的是，当将ZnO模板化的HC合并到KIB中时，它还表现出381 mAh g-1的显著容量，进一步展示了其潜力。
综上所述，本研究结果表明，使用无机纳米粒子作为模板来控制孔结构可以为HC电极的开发提供有效的指导。Komaba教授总结道：“我们的研究结果证明，碳氢化合物是作为石墨替代品的负极材料很有前景的候选者。”
反过来，这可以使NIB在实际应用中可行，例如可持续消费电子产品和电动汽车的开发，以及用于存储来自太阳能和风电场的能量的低碳足迹储能系统。
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