隨著世界意識(shí)到迫在眉睫的環(huán)境危機(jī)，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始尋找可持續(xù)的能源?？沙潆?a href="http://www.miracleinspire.com" style="color:#a98326">電池（如鋰離子電池）正迅速普及，同時(shí)衍生各種“綠色”技術(shù)，例如電動(dòng)推進(jìn)船（正在開(kāi)發(fā)以滿足國(guó)際海事組織的環(huán)境法規(guī)）和其他電動(dòng)車輛。但是，鋰是稀有且難以分配的，這使鋰的可持續(xù)性受到質(zhì)疑，同時(shí)也存在成本急劇上升的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，研究人員轉(zhuǎn)向鈉離子電池（SIB），它們?cè)陔娀瘜W(xué)上類似于鋰離子電池，并具有鈉含量更高，生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前，SIB中的標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)極材料是石墨，石墨在鈉離子的作用下是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，會(huì)導(dǎo)致可逆容量降低（衡量其存儲(chǔ)能力）且性能不佳。

為此，韓國(guó)海事和海洋大學(xué)的研究人員著手尋找一種適用于SIB的非石墨陽(yáng)極材料。首席科學(xué)家JunKang博士說(shuō)：“由于SIB的性能低下-僅是鋰離子電池容量的1/10-因此，找到一種能保持石墨的低成本和穩(wěn)定性的高效陽(yáng)極至關(guān)重要?！?/p>

現(xiàn)在，在發(fā)表于《動(dòng)力源》雜志上的最新研究中，科學(xué)家們報(bào)告了以下策略，以克服SIB的碳基負(fù)極材料的局限性：（1）采用能夠促進(jìn)從主體中快速Na+轉(zhuǎn)運(yùn)的分層多孔結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)到活性材料界面的區(qū)域；（2）保留較大的比表面積，使Na+遷移至界面，在活性物質(zhì)中可以輕松接近該比表面積；（3）保留能夠從表面到內(nèi)部共嵌入的表面缺陷和孔結(jié)構(gòu)；（4）從可能具有短擴(kuò)散路徑的缺陷和孔中保留插入到活性材料中的Na+中的納米結(jié)構(gòu)；（5）由于這些元素通過(guò)異質(zhì)元素?fù)诫s產(chǎn)生的外在缺陷而增加了活性位點(diǎn)的數(shù)量。這些策略導(dǎo)致電池的電化學(xué)性能得到顯著改善，甚至超過(guò)了當(dāng)前的鋰離子電池！

在他們之前的兩項(xiàng)研究中，他們使用磷和硫成功地測(cè)試了該方法，這兩種方法分別在Carbon和ACSAppliedMaterials＆Interfaces的封面上有介紹。

康博士對(duì)他們技術(shù)的各種潛在應(yīng)用持樂(lè)觀態(tài)度，例如在電力推進(jìn)船和其他車輛，無(wú)人機(jī)甚至高性能CPU中。他說(shuō)：“這五個(gè)因素提供了良好的容量保持能力，可逆容量，超高循環(huán)穩(wěn)定性，高初始庫(kù)倫效率（80％）和出色的倍率能力。這意味著即使在電池使用量很大的情況下，它們也可以長(zhǎng)時(shí)間使用。”

考慮到鈉比鋰的優(yōu)勢(shì)，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于可持續(xù)，廉價(jià)，高性能電池的工程設(shè)計(jì)無(wú)疑具有重要意義，并且可以使我們更接近實(shí)現(xiàn)節(jié)能的未來(lái)。

關(guān)于鈉離子電池的其他研究

目前，鈉離子電池的性能比鋰離子電池的性能落后約20年。幾十年來(lái)，研究一直集中在更強(qiáng)大的鋰上。

但是現(xiàn)在，不僅有開(kāi)創(chuàng)性的科學(xué)出版物，而且還有非常有希望的原型。

根據(jù)2020年5月的一份出版物，韓國(guó)的鈉離子電池在容量下降到80％之前設(shè)法處理了大約500個(gè)完整的充電周期。

美國(guó)-中國(guó)研究小組設(shè)計(jì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)稍有不同的電池可 實(shí)現(xiàn)450次充電循環(huán)，充電容量相似。中國(guó)的鈉離子電池的容量略低，但經(jīng)過(guò)1200次快速的12分鐘充電循環(huán)后仍保留了其容量的70％。

所有這些聽(tīng)起來(lái)似乎并不多，但實(shí)際上，這些電池可能會(huì)經(jīng)受住更多的充電循環(huán)，因?yàn)樵谌粘Ｉ钪?，電池往往僅會(huì)部分充電和放電。實(shí)驗(yàn)中電池的完全裝卸會(huì)給電池帶來(lái)更大的壓力。

此外，鈉離子技術(shù)不會(huì)消耗任何稀缺資源。陰極的生產(chǎn)不需要稀有的鋰鹽。簡(jiǎn)單的食鹽就足夠了。強(qiáng)大的陽(yáng)極可以由褐煤，木材和其他生物質(zhì)生產(chǎn)。也不需要鈷或類似的稀有物質(zhì)。

但是，鈉有兩個(gè)缺點(diǎn)。例如，它的重量是鋰的三倍，因此鈉離子電池也更重，即使鋰的重量不到電池總重量的5％。

另外，鈉電池的功能較弱，因?yàn)橛捎陔姵仉妷航档?.3伏，鈉電池不可避免地會(huì)損失大約10％的能量密度。這主要是由于迄今為止電池中使用的石墨陽(yáng)極吸收的鈉太少的事實(shí)。

但是納米碳可以提供一種補(bǔ)救措施。由德累斯頓-羅斯森多夫（HelzholtzCenterDresden-Rossendorf）（HZDR）領(lǐng)導(dǎo)的德國(guó)-俄羅斯工作組的研究表明了這一點(diǎn)。研究表明，到目前為止，石墨烯的雙層（即薄晶圓碳）可以在陽(yáng)極中存儲(chǔ)比目前使用的石墨多得多的鈉原子。

如果將石墨烯電極而不是當(dāng)今常用的石墨陽(yáng)極結(jié)合到鋰電池中，則有可能實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)容量。

HZDR物理學(xué)家ArkadyKrasheninnikov博士解釋說(shuō)：“這就像在兩張紙之間放小球一樣。如果您將越來(lái)越多的球塞進(jìn)去，則紙張會(huì)被推開(kāi)，從而在它們之間留出更多的空間?！?/p>

可能的新動(dòng)力

如果多層存儲(chǔ)適用于鋰，那么它也可以適用于其他堿金屬（例如鈉）嗎？

德累斯頓，斯圖加特和莫斯科的研究小組使用復(fù)雜的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬研究了這個(gè)問(wèn)題。他們的計(jì)算表明，鈉和鋰一樣，不僅可以單層沉積在石墨烯片之間，而且可以一層一層沉積在另一層之上。

因此，如果將來(lái)將石墨烯電極安裝在鈉離子電池中，而不是今天通常使用的石墨陽(yáng)極，那么也有可能實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)容量。

這些結(jié)果可能是開(kāi)發(fā)低成本鈉電池負(fù)極的突破。Krasheninnikov強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“我們的工作純粹是理論性的，我們不主張?jiān)诳深A(yù)見(jiàn)的將來(lái)根據(jù)我們的結(jié)果開(kāi)發(fā)新一代電池。但是也許我們的發(fā)現(xiàn)會(huì)給工程師一些新的有趣的想法?！?/p>

未來(lái)的電池

因此，幸運(yùn)的是，鈉離子電池不再只是一個(gè)理論概念。似乎迫在眉睫的突破將使它們成為現(xiàn)實(shí)。

最新的研究結(jié)果表明，昂貴的鋰離子電池已經(jīng)有了切實(shí)可行，價(jià)格合理且節(jié)省資源的替代品，并且多層存儲(chǔ)可以顯著提高其性能。

鈉離子電池要達(dá)到技術(shù)成熟階段并可以大量生產(chǎn)并安裝在電動(dòng)汽車或移動(dòng)電話中，肯定要花一些時(shí)間。但是，一旦發(fā)生這種情況，由于涉及的技術(shù)非常相似，從鋰離子電池到鈉離子電池的轉(zhuǎn)換應(yīng)該基本上沒(méi)有問(wèn)題。

研究人員找到提高鈉離子電池性能的方法

日本名古屋工業(yè)大學(xué)（NITech）的研究人員已經(jīng)證明，一種特殊的材料可以作為鈉離子電池的有效電池組件，與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)某些電池特性，尤其是充電速度。

流行的鋰離子電池有幾個(gè)好處-它們可充電并且具有廣泛的應(yīng)用范圍。它們用于筆記本電腦和手機(jī)等設(shè)備以及混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車是解決農(nóng)村地區(qū)污染以及提供清潔和可持續(xù)交通運(yùn)輸?shù)闹匾夹g(shù)，是解決能源和環(huán)境危機(jī)的重要力量。鋰的缺點(diǎn)之一是它的資源有限。它不僅價(jià)格昂貴，而且其年產(chǎn)量受到（技術(shù)上）限制（由于干燥過(guò)程）。鑒于對(duì)電池供電的設(shè)備（尤其是電動(dòng)汽車）的需求不斷增長(zhǎng)，迫切需要找到一種既便宜又豐富的鋰替代品。

由于多種原因，鈉離子電池是鋰基離子電池的有吸引力的替代品。鈉不是一種有限的資源-地殼和海水中都含有豐富的鈉。同樣，基于適當(dāng)?shù)木w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鈉基成分有可能產(chǎn)生更快的充電時(shí)間。但是，鈉不能簡(jiǎn)單地與當(dāng)前電池材料中使用的鋰交換，因?yàn)殁c離子尺寸較大且化學(xué)性質(zhì)略有不同。因此，要求研究人員通過(guò)試錯(cuò)法在眾多候選人中找到用于鈉離子電池的最佳材料。

NITech的科學(xué)家找到了解決此問(wèn)題的合理有效的方法。從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取了約4300種化合物并進(jìn)行了高通量計(jì)算后，其中一種化合物產(chǎn)生了令人滿意的結(jié)果，因此有望用作鈉離子電池組件。研究人員確定，Na2V3O7具有令人滿意的電化學(xué)性能以及晶體和電子結(jié)構(gòu)。該化合物具有快速充電性能，因?yàn)樗梢栽?分鐘內(nèi)穩(wěn)定充電。此外，研究人員證明該化合物可延長(zhǎng)電池壽命，并縮短充電時(shí)間。

“我們的目標(biāo)是解決大型電池在電動(dòng)汽車等應(yīng)用中面臨的最大障礙，這些應(yīng)用嚴(yán)重依賴長(zhǎng)的充電時(shí)間。我們通過(guò)搜索解決了這個(gè)問(wèn)題，這種搜索將產(chǎn)生足夠有效的材料以提高電池的倍率性能?！?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管Na2V3O7具有良好的特性和對(duì)鈉離子電池的總體預(yù)期影響，但它們?cè)谧詈蟮某潆婋A段卻經(jīng)歷了劣化，這將實(shí)際存儲(chǔ)容量限制為理論容量的一半。因此，在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員旨在專注于改善這種材料的性能，以使其在充電階段的整個(gè)過(guò)程中保持穩(wěn)定。Tanibata博士補(bǔ)充說(shuō)：“我們的最終目標(biāo)是建立一種方法，使我們能夠通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法的組合來(lái)有效地設(shè)計(jì)電池材料?！?/p>