鈉電池有望為綠色經(jīng)濟提供動(dòng)力

鋰離子電池無(wú)處不在，不僅用于耳機、手機和汽車(chē)，還在儲存可再生能源的大型設施中發(fā)揮重要作用。然而，鋰本身相對稀缺，只存在于少數幾個(gè)國家。一個(gè)基于可再生能源的世界需要的電池容量是目前的200倍，這可能意味著(zhù)需要一種不同的電池。美國芝加哥大學(xué)的電池化學(xué)家Y. Shirley Meng說(shuō)：“我不知道僅靠鋰離子能否實(shí)現這一目標。”

一種有幾十年歷史的技術(shù)或許能夠應對這一挑戰，即用鈉離子而非鋰離子攜帶和儲存電荷的電池。鈉在海水和鹽礦中隨處可見(jiàn)，因此供應和成本都不是問(wèn)題。但鈉在儲存電能方面不如鋰，因為鈉離子比鋰離子大3倍，這限制了它們進(jìn)出現有電池電極的能力。全球實(shí)驗室正在開(kāi)發(fā)新的電極材料來(lái)解決這一問(wèn)題。過(guò)去6個(gè)月中，已有幾個(gè)團隊宣布他們研發(fā)的鈉電池的儲能與低端鋰電池相當。美國哥倫比亞大學(xué)的電池化學(xué)家Dan Steingart說(shuō)：“這種進(jìn)步令人驚嘆。”商用鈉離子電池也開(kāi)始應用于電動(dòng)汽車(chē)、踏板車(chē)和電網(wǎng)儲能。

不過(guò)，研究人員指出，鈉離子電池廣泛應用還無(wú)法實(shí)現。“我們還沒(méi)有進(jìn)入那個(gè)階段。”法蘭西公學(xué)院的固態(tài)化學(xué)家Jean-Marie Tarascon說(shuō)，這些電池的性能仍遠不及最好的鋰離子電池。而且目前缺乏使用鈉離子電池的動(dòng)力：鋰短缺仍是一個(gè)理論上的擔憂(yōu)，而且由于供應過(guò)剩，鋰的價(jià)格在過(guò)去3年中實(shí)際下降了70%。

鈉離子電池的工作原理與鋰電池一樣。由于鈉離子比鋰離子大，因此能擠進(jìn)陽(yáng)極的鈉離子數量較少。這就需要更大的電池來(lái)儲存相同的電量，從而增加了成本和體積。鈉電池的存儲容量甚至不到最好的鋰電池的一半，后者每公斤可存儲300瓦時(shí)以上的能量。但美國阿貢國家實(shí)驗室的電池化學(xué)家Gui-Liang Xu說(shuō)：“我們有多種途徑可以應對這一挑戰。”

一種方法是改變陽(yáng)極成分。大多數鋰離子電池使用石墨，這是一種碳，其緊密的層狀結構往往會(huì )排斥鈉離子。許多研究人員轉而使用另一種形式的碳——硬碳，后者由雜亂的碳顆粒組成，從而給鈉離子留下了孔隙。

不幸的是，這些孔隙也會(huì )減少陽(yáng)極的儲能容量。但研究人員發(fā)現，在陽(yáng)極中加入錫可以解決這一問(wèn)題。在碳基質(zhì)上，每個(gè)錫原子可以結合3.75個(gè)鈉離子，從而提高陽(yáng)極儲存鈉的能力，進(jìn)而提高儲能。

另一種改進(jìn)方法是調整帶正電荷的陰極成分，從而使鈉更好地儲存和流動(dòng)。其中一種最受歡迎的新材料是鈉、釩、磷和氧的混合物(NaVPO)，后者能形成層狀結構，使鈉原子輕松進(jìn)出。

目前，與鋰離子電池的陰極相比，NaVPO的能量密度適中，但美國休斯敦大學(xué)化學(xué)家Pieremanuele Canepa領(lǐng)導的研究團隊利用計算機建模和X射線(xiàn)衍射技術(shù)，確定了一種優(yōu)化NaVPO晶體結構的方式。Canepa和同事2024年10月23日在《自然-材料》報告稱(chēng)，他們不僅合成了這種新材料，還將其應用于鈉離子電池陰極，可比之前的NaVPO設計多儲存15%的能量。

另一種更激進(jìn)的方法是用有機化合物制造陰極，這些化合物也能形成存儲和釋放鈉離子的層狀結構。許多有機物在電池電解質(zhì)中會(huì )分解，但在2月5日出版的《美國化學(xué)會(huì )志》上，美國麻省理工學(xué)院的Mircea Dinca研究團隊報告稱(chēng)，他們創(chuàng )造了一種更耐用的層狀有機陰極，名為T(mén)AQ，不僅在數千次充放電中保持穩定，而且能量密度在鈉離子陰極中也是最高的。Canepa稱(chēng)其為“化學(xué)的杰作”。

此外，鈉電池面臨的障礙不僅僅是技術(shù)上的。Steingart說(shuō)，目前鋰的低成本削弱了鈉的主要賣(mài)點(diǎn)。鈉離子電池制造商仍然太少，無(wú)法從規模經(jīng)濟中獲益。

美國斯坦福大學(xué)的材料科學(xué)家William Chueh說(shuō)，鈉離子電池的成本效益將取決于技術(shù)進(jìn)步。1月13日，他和同事在《自然-能源》發(fā)表了一篇論文，評估了生產(chǎn)鈉離子電池的6000多種路線(xiàn)圖，發(fā)現要想與低成本的鋰離子電池競爭，研究人員需要取得幾項突破，包括放棄鈉離子電池目前所需的昂貴材料，如鎳和釩。

Steingart相信這些進(jìn)步即將到來(lái)。他說(shuō)，關(guān)于鈉離子電池的基本化學(xué)原理的研究，“我們仍處于早期階段”。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01701-9

https://doi.org/10.1021/jacs.4c17713