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研究人员开发出了可行的钠电池

2020-06-03 17:26:42来源:

华盛顿州立大学(WSU)和太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员已经研制出一种钠离子电池,这种电池的储能能力和一些商用锂离子电池的化学性能相当,这使得利用丰富而廉价的材料开发出一种可能可行的电池技术成为可能。

该团队报告了迄今为止钠离子电池的最佳结果之一。它能够提供类似于某些锂离子电池的容量,并能成功充电,在1000次循环后仍能保持80%以上的电量。这项研究由华盛顿州立大学机械与材料工程学院的林跃和教授和PNNL的高级研究员李晓林领导,发表在ACS能源通讯杂志上。

“这是钠离子电池的一项重大发展,”能源部电力办公室能源存储主任伊姆雷·古伊克博士说,他支持了PNNL的这项工作。“在许多应用中,人们对用钠离子替代锂离子电池的潜力非常感兴趣。”

锂离子电池无处不在,广泛应用于手机、笔记本电脑和电动汽车等。但它们是由钴和锂等稀有、昂贵、主要在美国以外地区发现的材料制成的。随着对电动汽车和电力存储的需求增加,这些材料将变得更难获得,而且可能更昂贵。锂电池在满足电网日益增长的能量存储需求方面也存在问题。

另一方面,钠离子电池,由来自地球海洋或地壳的廉价、丰富和可持续的钠制成,可以作为大规模能源存储的良好候选。不幸的是,它们储存的能量不如锂电池。

它们在充电方面也有困难,因为有效的能量存储需要充电。一些最有前途的阴极材料的一个关键问题是,在阴极表面形成了一层不活动的钠晶体,阻止了钠离子的流动,从而杀死了电池。

“关键的挑战在于,电池既要有高的能量密度,又要有良好的循环寿命,”论文的第一作者、华盛顿州立大学博士研究生宋俊华(Junhua Song,音译)说。他目前在劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)工作。

作为工作的一部分,研究小组创造了一个分层的金属氧化物阴极和液体电解质,其中包括额外的钠离子,创造了一个更咸的汤,有更好的互动与他们的阴极。他们的阴极设计和电解质系统允许钠离子的持续运动,防止非活性表面晶体的形成,并允许不受阻碍的发电。

“我们的研究揭示了阴极结构演变和与电解质的表面相互作用之间的本质联系,”林说。“这是有多层阴极的钠离子电池的最好结果,表明这是一种可行的技术,可以与锂离子电池相媲美。”

研究人员现在正致力于更好地理解电解液和阴极之间的重要相互作用,这样他们就可以用不同的材料来改进电池的设计。他们还想设计一种不使用钴的电池,钴是另一种相对昂贵和稀有的金属。

宋说:“这项工作为实际的钠离子电池铺平了道路,我们获得的关于阴极-电解质相互作用的基本见解为我们如何在未来发展钠离子电池以及其他类型的电池化学中开发无钴或低钴阴极材料提供了思路。”“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。”

他补充说:“这将是一个改变游戏规则的举措。”

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