实验室研发出突破性新型钠离子电池

芝加哥大学普利兹克分子工程学院Y. Shirley Meng教授的储能与转换实验室创造了世界上首个无阳极固态钠离子电池。

该团队希望这项突破使电动汽车和电网储能的低成本、快速充电、高容量电池的实现比以往任何时候都更接近。

“尽管之前已有钠离子电池、固态电池和无阳极电池，但至今没有人能够成功地将这三个概念结合起来，”加州大学圣地亚哥分校博士生格雷森·戴舍（Grayson Deysher）说，他是概述该团队工作的一篇新论文的第一作者。

这篇7月3日在《自然·能源》上发表的论文展示了一种新型钠离子电池结构，该结构可稳定循环数百次。通过去除阳极并使用廉价且丰富的钠代替锂，这种新型电池将更经济、更环保。凭借其创新的固态设计，该电池还将更加安全且功能强大。

这项工作既是科学上的进步，也是填补电池规模化差距的必要步骤，以推动世界经济摆脱化石燃料。

“要使美国运行一小时，我们必须生产一太瓦时（terawatt-hour）的能源，”孟教授说。“为了完成我们的经济脱碳任务，我们需要数百太瓦时的电池。我们需要更多的电池，而且我们需要它们很快。”

这项研究是在储能与转换实验室（LESC）进行的，该实验室是芝加哥大学普利兹克分子工程学院和加州大学圣地亚哥分校艾索·于峰李氏家族化学与纳米工程系之间的合作项目。

可持续性和钠

电池中常用的锂并不常见。它占地球地壳的约二十万分之一，而钠占地壳的千分之二。

这种稀缺性，加上笔记本电脑、手机和电动汽车对锂离子电池需求的激增，导致价格飙升，使所需电池更加遥不可及。

锂矿也集中在少数地区。智利、阿根廷和玻利维亚的“锂三角”拥有世界上75%以上的锂供应，其他矿藏位于澳大利亚、北卡罗来纳州和内华达州。

“全球行动需要合作以获取至关重要的材料，”孟教授说。

锂开采也对环境造成破坏，无论是用于分解采矿矿石的工业酸，还是更常见的卤水开采，后者会将大量水抽到地表进行干燥。

在海水中和苏打灰采矿中常见的钠是一种本质上更环保的电池材料。LESC的研究也使其变得更加强大。

创新架构

为了创造出能量密度与锂离子电池相当的钠离子电池，该团队需要发明一种新的钠离子电池架构。

传统电池在充电时有一个阳极来储存离子。当电池在使用时，离子从阳极通过电解质流向集流体（阴极），为设备和汽车供电。

无阳极电池移除了阳极，并将离子直接储存在集流体上的碱金属的电化学沉积物上。这种方法可实现更高的单元电压、更低的单元成本和更高的能量密度，但也带来了新的挑战。

“在任何无阳极电池中，电解质和集流体之间都需要良好的接触，”戴舍说。“当使用液体电解质时，这通常很容易，因为液体可以流动到任何地方并润湿每个表面。固体电解质无法做到这一点。”

然而，这些液体电解质会在电池中逐渐消耗活性材料，形成固体电解质界面（solid electrolyte interphase）堆积，随着时间的推移降低电池的有用性。

流动的固体

该团队采用了一种新颖的创新方法来解决这个问题。他们没有使用包围集流体的电解质，而是创造了一个包围电解质的集流体。

他们用铝粉制成了集流体，这种固体可以像液体一样流动。

在电池组装过程中，粉末在高压下被压实以形成固态集流体，同时保持与电解质的类似液体的接触，从而实现低成本和高效率的循环，推动这项颠覆性技术向前发展。