为什么不选择石墨作为钠离子电池的负极材料？

作为钠离子电池的核心部件之一，负极对电池的能量密度、倍率性能、循环性能以及首次库仑效率等有着重要影响。

目前，被广泛研究的钠离子电池负极材料主要有碳基材料（软碳/硬碳等）、钛基嵌入型负极材料、有机材料和合金类材料等。但是在广泛应用于锂离子电池的石墨却没有运用于钠离子电池，这是为什么？

一.石墨材料的结构

石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们互相重叠，形成离域π键电子在晶格中能自由移动，可以被激发，所以石墨有金属光泽，能导电、传热。由于层与层间距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动。

石墨每一层间的距离为3.35Å，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体，同一层中碳原子的间距为1.42Å，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质也稳定。

如下图，石墨的堆叠方式要么是六边形ABA堆叠(最常见)，要么是菱形ABC堆叠。

二.石墨作为负极材料在不同碱金属离子电池中的表现

石墨作为负极材料是在电池中通过插入反应进行电荷存储，带正电的 碱金属离子 (alkali metal ions -AMIs)嵌入中间层生成 石墨嵌入化合物 (graphite intercalation compounds-GIC)。

由于嵌入电位接近于AMs本身的氧化还原电位，因此GIC是具有离子和电子混合导电的负极材料。GIC结构取决于AM的种类以及嵌入量，但总体分层结构保持提供二维传导。使用石墨作为负极材料的不同碱金属离子电池充放电曲线如下：石墨几乎不储钠。

三.碱金属-石墨嵌入化合物(AM-GIC)的形成过程

将AM-GIC形成过程划分为三个步骤，如下图所示，包括：

1.大块金属被蒸发形成孤立的原子，其能量成本为Ed(即内聚能)。

内聚能：将单位量的物质分散至分子间作用力消失所需的能量，用以衡量物质分子结合的紧密程度。

2.石墨受到应力，通过层间扩张和层向拉伸形成可嵌金属的石墨结构，消耗能量Es。

3.金属原子嵌入受应力的石墨结构中，形成AM-GIC，释放能量Eb。为了与其他项一致，我们定义E- b =-Eb。

整个热力学过程根据Hess定律有：

如下图，对形成AM-GIC的能量进行计算，发现只有Na与石墨形成化合物的形成能为正值，而其他碱金属均为负值，表明Na-石墨化合物是热力学不稳定的。