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中科院和代爾夫特理工大學(xué)開(kāi)發(fā)新方法 預(yù)測(cè)鈉離子電池原子結(jié)構(gòu)
時(shí)間:2020-11-17 09:00來(lái)源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來(lái)源：tudelft）
據(jù)外媒報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院和代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種預(yù)測(cè)鈉離子電池原子結(jié)構(gòu)的方法，這在世界上尚屬首次，將大大推進(jìn)鈉離子電池研究。該類電池將成為僅次于鋰離子電池的重要技術(shù)。
鋰離子電池具有高能量密度和優(yōu)異的性能，并廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車等應(yīng)用。然而，商業(yè)上過(guò)于依賴一種電池也有不足之處，例如生產(chǎn)鋰離子電池時(shí)，必須使用鈷。但是，全球鈷資源有限，而且開(kāi)采條件惡劣，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。德?tīng)柗蛱卮髮W(xué)的研究人員Marnix Wagemaker表示：“如果將來(lái)我們都轉(zhuǎn)向電動(dòng)出行，我們也需要大量的鋰。”實(shí)際上鋰儲(chǔ)量也是有限的。
研究人員相信鈉離子電池富有發(fā)展?jié)摿Α＠碚撋蟻?lái)說(shuō)，鈉離子電池的性能不如鋰離子電池，但差距并不大。Wagemaker稱：“在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，鈉離子電池的能量密度只比鋰離子電池低20%到30%。對(duì)于可以經(jīng)常充電的車輛來(lái)說(shuō)，鈉離子電池可能成為很好的替代品。”此外，鈉離子電池也適合固定應(yīng)用，例如家里的電源墻或儲(chǔ)存風(fēng)能和太陽(yáng)能的電池公園。從原材料方面看，鈉離子電池可以避免使用鈷，提供更好、更便宜的正極。
但是，鋰離子電池只使用有限數(shù)量的原材料和材料結(jié)構(gòu)，而且最佳正極配方比較明確。對(duì)于鈉離子電池來(lái)說(shuō)，情況并非如此。Wagemaker稱：“基于元素的精確組合，你最終會(huì)發(fā)現(xiàn)正極的原子結(jié)構(gòu)存在細(xì)微的差別，這會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生很大的影響。僅僅有幾個(gè)元素，結(jié)構(gòu)上的可能性就這么多，即便是速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也無(wú)法預(yù)測(cè)組合結(jié)果。因此，新材料的開(kāi)發(fā)速度很慢。”
中國(guó)科學(xué)院和代爾夫特的研究人員找到了一種方法，可以預(yù)測(cè)理想的正極配方。在原子層面上，正極看起來(lái)很像三明治：由幾層組成，中間有離子。Wagemaker說(shuō)：“起初來(lái)看，似乎離子的大小決定了原子結(jié)構(gòu)。我們很快發(fā)現(xiàn)，這并不是唯一要素，起到關(guān)鍵作用的是離子的電荷分布。”
這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義。因?yàn)殡x子大小與其電荷之間的比率，即所謂的“離子勢(shì)”，已知具有預(yù)測(cè)價(jià)值。Wagemaker說(shuō)：“幾十年來(lái)，地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域一直通過(guò)這一關(guān)系，解釋為什么某些鐵氧化物比其他氧化物更易溶。”事實(shí)證明，這種關(guān)系在原子層面也有用。研究人員基于離子勢(shì)開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)單的配方。Wagemaker說(shuō)：“我們可以根據(jù)這個(gè)配方，預(yù)測(cè)哪種原料選擇比例將得到哪種結(jié)構(gòu)。該配方引導(dǎo)我們發(fā)現(xiàn)電極材料的各種可能性，以提供最佳性能。”
研究人員還設(shè)計(jì)新材料以測(cè)試其配方。Wagemaker說(shuō)：“我們嘗試制造能量密度最高、充電速度非常快的正極，并獲得成功。就能量密度而言，我們已經(jīng)達(dá)到可能的上限。”
這項(xiàng)研究集中在電池的正極部分。研究人員下一步將探討不同類型電池的電極和電解液等，并希望通過(guò)這項(xiàng)研究，加快開(kāi)發(fā)下一代電池材料。
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