钠离子电池比锂电池成本更低 如何提高钠离子电池的性能？

随着世界意识到迫在眉睫的环境危机，科学家已经开始寻找可持续的能源。可充电电池（如锂离子电池）正迅速普及，同时衍生各种“绿色”技术，例如电动推进船（正在开发以满足国际海事组织的环境法规）和其他电动车辆。但是，锂是稀有且难以分配的，这使锂的可持续性受到质疑，同时也存在成本急剧上升的风险。

因此，研究人员转向钠离子电池（SIB），它们在电化学上类似于锂离子电池，并具有钠含量更高，生产成本更低等优点。但是，目前，SIB中的标准阳极材料是石墨，石墨在钠离子的作用下是热力学不稳定的，会导致可逆容量降低（衡量其存储能力）且性能不佳。

为此，韩国海事和海洋大学的研究人员着手寻找一种适用于SIB的非石墨阳极材料。首席科学家JunKang博士说：“由于SIB的性能低下-仅是锂离子电池容量的1/10-因此，找到一种能保持石墨的低成本和稳定性的高效阳极至关重要。”

现在，在发表于《动力源》杂志上的最新研究中，科学家们报告了以下策略，以克服SIB的碳基负极材料的局限性：（1）采用能够促进从主体中快速Na+转运的分层多孔结构。电解质到活性材料界面的区域；（2）保留较大的比表面积，使Na+迁移至界面，在活性物质中可以轻松接近该比表面积；（3）保留能够从表面到内部共嵌入的表面缺陷和孔结构；（4）从可能具有短扩散路径的缺陷和孔中保留插入到活性材料中的Na+中的纳米结构；（5）由于这些元素通过异质元素掺杂产生的外在缺陷而增加了活性位点的数量。这些策略导致电池的电化学性能得到显着改善，甚至超过了当前的锂离子电池！

在他们之前的两项研究中，他们使用磷和硫成功地测试了该方法，这两种方法分别在Carbon和ACSAppliedMaterials＆Interfaces的封面上有介绍。

康博士对他们技术的各种潜在应用持乐观态度，例如在电力推进船和其他车辆，无人机甚至高性能CPU中。他说：“这五个因素提供了良好的容量保持能力，可逆容量，超高循环稳定性，高初始库伦效率（80％）和出色的倍率能力。这意味着即使在电池使用量很大的情况下，它们也可以长时间使用。”

考虑到钠比锂的优势，这些发现对于可持续，廉价，高性能电池的工程设计无疑具有重要意义，并且可以使我们更接近实现节能的未来。

关于钠离子电池的其他研究

目前，钠离子电池的性能比锂离子电池的性能落后约20年。几十年来，研究一直集中在更强大的锂上。

但是现在，不仅有开创性的科学出版物，而且还有非常有希望的原型。

根据2020年5月的一份出版物，韩国的钠离子电池在容量下降到80％之前设法处理了大约500个完整的充电周期。

美国-中国研究小组设计的化学结构稍有不同的电池可 实现450次充电循环，充电容量相似。中国的钠离子电池的容量略低，但经过1200次快速的12分钟充电循环后仍保留了其容量的70％。

所有这些听起来似乎并不多，但实际上，这些电池可能会经受住更多的充电循环，因为在日常生活中，电池往往仅会部分充电和放电。实验中电池的完全装卸会给电池带来更大的压力。

此外，钠离子技术不会消耗任何稀缺资源。阴极的生产不需要稀有的锂盐。简单的食盐就足够了。强大的阳极可以由褐煤，木材和其他生物质生产。也不需要钴或类似的稀有物质。

但是，钠有两个缺点。例如，它的重量是锂的三倍，因此钠离子电池也更重，即使锂的重量不到电池总重量的5％。

另外，钠电池的功能较弱，因为由于电池电压降低0.3伏，钠电池不可避免地会损失大约10％的能量密度。这主要是由于迄今为止电池中使用的石墨阳极吸收的钠太少的事实。

但是纳米碳可以提供一种补救措施。由德累斯顿-罗斯森多夫（HelzholtzCenterDresden-Rossendorf）（HZDR）领导的德国-俄罗斯工作组的研究表明了这一点。研究表明，到目前为止，石墨烯的双层（即薄晶圆碳）可以在阳极中存储比目前使用的石墨多得多的钠原子。

如果将石墨烯电极而不是当今常用的石墨阳极结合到锂电池中，则有可能实现更高的存储容量。

HZDR物理学家ArkadyKrasheninnikov博士解释说：“这就像在两张纸之间放小球一样。如果您将越来越多的球塞进去，则纸张会被推开，从而在它们之间留出更多的空间。”

可能的新动力

如果多层存储适用于锂，那么它也可以适用于其他碱金属（例如钠）吗？

德累斯顿，斯图加特和莫斯科的研究小组使用复杂的超级计算机模拟研究了这个问题。他们的计算表明，钠和锂一样，不仅可以单层沉积在石墨烯片之间，而且可以一层一层沉积在另一层之上。

因此，如果将来将石墨烯电极安装在钠离子电池中，而不是今天通常使用的石墨阳极，那么也有可能实现更高的存储容量。

这些结果可能是开发低成本钠电池负极的突破。Krasheninnikov强调说：“我们的工作纯粹是理论性的，我们不主张在可预见的将来根据我们的结果开发新一代电池。但是也许我们的发现会给工程师一些新的有趣的想法。”

未来的电池

因此，幸运的是，钠离子电池不再只是一个理论概念。似乎迫在眉睫的突破将使它们成为现实。

最新的研究结果表明，昂贵的锂离子电池已经有了切实可行，价格合理且节省资源的替代品，并且多层存储可以显着提高其性能。

钠离子电池要达到技术成熟阶段并可以大量生产并安装在电动汽车或移动电话中，肯定要花一些时间。但是，一旦发生这种情况，由于涉及的技术非常相似，从锂离子电池到钠离子电池的转换应该基本上没有问题。

研究人员找到提高钠离子电池性能的方法

日本名古屋工业大学（NITech）的研究人员已经证明，一种特殊的材料可以作为钠离子电池的有效电池组件，与锂离子电池竞争某些电池特性，尤其是充电速度。

流行的锂离子电池有几个好处-它们可充电并且具有广泛的应用范围。它们用于笔记本电脑和手机等设备以及混合动力和全电动汽车。电动汽车是解决农村地区污染以及提供清洁和可持续交通运输的重要技术，是解决能源和环境危机的重要力量。锂的缺点之一是它的资源有限。它不仅价格昂贵，而且其年产量受到（技术上）限制（由于干燥过程）。鉴于对电池供电的设备（尤其是电动汽车）的需求不断增长，迫切需要找到一种既便宜又丰富的锂替代品。

由于多种原因，钠离子电池是锂基离子电池的有吸引力的替代品。钠不是一种有限的资源-地壳和海水中都含有丰富的钠。同样，基于适当的晶体结构设计，钠基成分有可能产生更快的充电时间。但是，钠不能简单地与当前电池材料中使用的锂交换，因为钠离子尺寸较大且化学性质略有不同。因此，要求研究人员通过试错法在众多候选人中找到用于钠离子电池的最佳材料。

NITech的科学家找到了解决此问题的合理有效的方法。从晶体结构数据库中提取了约4300种化合物并进行了高通量计算后，其中一种化合物产生了令人满意的结果，因此有望用作钠离子电池组件。研究人员确定，Na2V3O7具有令人满意的电化学性能以及晶体和电子结构。该化合物具有快速充电性能，因为它可以在6分钟内稳定充电。此外，研究人员证明该化合物可延长电池寿命，并缩短充电时间。

“我们的目标是解决大型电池在电动汽车等应用中面临的最大障碍，这些应用严重依赖长的充电时间。我们通过搜索解决了这个问题，这种搜索将产生足够有效的材料以提高电池的倍率性能。”

研究人员发现，尽管Na2V3O7具有良好的特性和对钠离子电池的总体预期影响，但它们在最后的充电阶段却经历了劣化，这将实际存储容量限制为理论容量的一半。因此，在未来的实验中，研究人员旨在专注于改善这种材料的性能，以使其在充电阶段的整个过程中保持稳定。Tanibata博士补充说：“我们的最终目标是建立一种方法，使我们能够通过计算和实验方法的组合来有效地设计电池材料。”