新型钠离子电池:能与锂离子电池相媲美!

  导读

  据美国华盛顿州立大学官网近日报道，该校与美国太平洋西北国家实验室的研究人员创造出一款钠离子电池，它的容量以及工作表现能与某些商用的锂离子电池化学物质相媲美。

  背景

  锂离子电池无处不在，在手机、笔记本电脑以及电动汽车等众多应用中都有使用。但它们是由钴和锂等材料制成，这些材料稀少、昂贵，并且大多在美国以外的地方发现。随着电动汽车和电力存储需求的增长，这些材料将变得越来越难获取，而且可能更加昂贵。锂基电池在满足电网储能巨大增长的需求方面也会出现问题。

  诺基亚手机的锂离子电池（图片来源： ** ）

  笔记本电脑中的锂离子电池（图片来源： ** ）

  Nissan Leaf 汽车的锂离子电池组（图片来源： ** ）

  从另一方面说，钠离子电池，由来自地球海洋或地壳中廉价、丰富、可持续的钠制成，是大规模储能的优秀候选材料。不幸的是，它们存储的能量不如锂电池多。

  它们也很难像有效储能所要求的那样进行充电。对于一些最有前途的阴极材料来说，一个关键问题就是，在阴极表面堆积了一层不活跃的钠晶体，阻止了钠离子的流动，从而导致电池失效。

  创新

  近日，美国华盛顿州立大学（WSU）以及太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员创造出一款钠离子电池，它的容量以及工作表现能与某些商用的锂离子电池化学物质相媲美，有望成为一项用丰富而廉价的材料制成的实用电池技术。

  （图片来源：华盛顿州立大学）

  该团队报告称，这是迄今为止最好的钠离子电池成果之一。它能够提供的容量与某些锂离子电池相似，并且能成功充电，在1000次循环之后仍然可以保持80%以上的电量。这项研究由华盛顿州立大学机械工程与材料工程系教授 Yuehe Lin 以及美国太平洋西北国家实验室高级研究科学家 Xiaolin Li 领导，发表在《ACS Energy Letters》杂志上。

  技术

  华盛顿州立大学博士毕业生、现就职于劳伦斯伯克利国家实验室的 Junhua Song 表示：“对于电池来说，关键的挑战就是既要有高能量密度，又要有良好的循环寿命。”

  作为这项工作的一部分，研究团队创造了一种分层的金属氧化物阴极以及一种液态电解质，其中包含了额外的钠离子，从而创造出一种更咸的汤，与他们的阴极进行更好的相互作用。他们的阴极设计和电解液系统允许钠离子持续运动，防止了非活性表面晶体的堆积，允许不受阻碍的发电。

  Lin 表示：“我们的研究揭示了阴极结构演变以及表面与电解质相互作用之间的本质关联。这些是有史以来报道的分层阴极钠离子电池的最佳成果，它表明这是一种可以与锂离子电池相媲美的可行技术。”

  研究人员目前正致力于更好地了解他们的电解质与阴极之间的重要相互作用，因此他们可以通过不同的材料来改进电池设计。他们还希望设计出一种不使用钴的电池，钴是另一种相对昂贵的稀有金属。

  价值

  在太平洋西北国家实验室支持这项工作的美国能源部电力办公室储能研究主任 Imre Gyuk 博士表示：“这是钠离子电池领域的一个重大进展。钠离子电池在许多应用中取代锂离子电池的潜力，引起了人们极大的兴趣。”

  Song 表示：“这项工作为实用的钠离子电池铺平了道路，我们获得的对于阴极-电解质相互作用的基本见解，为未来在钠离子电池以及其他类型的电池化学材料中开发不含钴或低钴的阴极材料提供了启示。如果我们能找到锂和钴的可行替代品，钠离子电池就能真正与锂离子电池竞争。并且，这将改变游戏规则。”

  关键词

  电池、锂、钠

  参考资料

  【1】Junhua Song, Kuan Wang, Jianming Zheng, Mark H. Engelhard, Biwei Xiao, Enyuan Hu, Zihua Zhu, Chongmin Wang, Manling Sui, Yuehe Lin, David Reed, Vincent L. Sprenkle, Pengfei Yan, Xiaolin Li. Controlling Su ** ce Phase Transition and Chemical Reactivity of O3-Layered Metal Oxide Cathodes for High-Perfor ** nce Na-Ion Batteries. ACS Energy Letters, 2020; 1718 DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00700