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提高鈉離子電池性能的一種解決方案

時(shí)間:2022-08-12 11:18來源:中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 作者:楊柳

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在一種實(shí)驗(yàn)性的鈉離子電池技術(shù)中，一小瓶清澈的鈉離子電解質(zhì)提供了保持離子和能量流動(dòng)的循環(huán)“血液”。

能源部（DOE）的研究人員已經(jīng)取得了重大突破，他們認(rèn)為這或許是鈉離子電池可以成為鋰離子電池可行替代品的解決方案。

能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）調(diào)整了鈉基存儲(chǔ)設(shè)備液體核心的成分，以極大地延長(zhǎng)了使用壽命，并解決到目前為止一直困擾他們的性能問題。

其中一位首席研究人員Jiguang Zhang表示：“在這里，我們?cè)瓌t上表明，鈉離子電池有潛力成為一種持久、環(huán)保的電池技術(shù)。”相關(guān)論文發(fā)表在《Nature Energy》雜志上。

科學(xué)人員一直以來都將鈉離子電池視為未來取代鋰離子電池的最佳選擇，原因有一下幾點(diǎn)。鈉的豐度，遠(yuǎn)比鋰要便宜、更容易獲得、更合乎道德的開采，而鋰是一種昂貴且有限的資源，在世界不發(fā)達(dá)地區(qū)以剝削的方式提取。

研究人員表示，鈉離子電池還可能在任何給定重量和體積下保持高容量的能量，而鋰離子電池會(huì)隨著能量密度的增加而變得更重，使得鈉離子電池取代鋰離子電池變得更具有吸引力。

電池的穩(wěn)定性

具體來說，PNNL團(tuán)隊(duì)使用電池的液體電解質(zhì)，該電解質(zhì)通過將鹽溶解在溶劑中形成。電解液是電池的一部分，其中帶電離子在正極和負(fù)極之間流動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，任何電池都會(huì)變得遲鈍，這限制了設(shè)備可以再充電的次數(shù)，并且仍然保持充電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最佳功能。

鈉離子電池的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，電荷衰減比鋰離子電池快，這將阻礙其作為鋰離子電池商業(yè)替代品的可行性。

在科學(xué)家Yan Jin和Phung Le的帶領(lǐng)下，PNNL團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)造一種新的電解液配方來解決這個(gè)問題，將液體溶液和流經(jīng)電池的鹽類型切換，以解決設(shè)備這部分通常會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

目前用于鈉離子電池的電解液往往會(huì)溶解裝置中陽(yáng)極或負(fù)極上的保護(hù)膜。保護(hù)膜是電池中的關(guān)鍵部分，因?yàn)楸Ｗo(hù)膜可以允許鈉離子通過陽(yáng)極的同時(shí)維持電池壽命。

為了解決該問題，研究人員穩(wěn)定了陽(yáng)極的保護(hù)膜，同時(shí)在陰極（正極）添加超薄保護(hù)層。根據(jù)研究人員的報(bào)道，他們對(duì)該裝置的改進(jìn)使電池整體更加穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，在4.2V電壓下300次循環(huán)后，電池可以保持90%的電池容量。

雖然鈉離子電池比之前研發(fā)的鈉離子電池性能都要高，但還不能與鋰離子電池相提并論。然而研究人員表示，這是迄今為止在推進(jìn)鈉基電池設(shè)計(jì)方面最有希望的工作之一。

高電壓性能

由PNNL團(tuán)隊(duì)研發(fā)的電池也展示了在高電壓狀態(tài)下運(yùn)行的能力方面比目前的鋰離子電池設(shè)計(jì)有所提高，而高電壓下的運(yùn)行能力一直是后者的難題。事實(shí)上，鋰離子設(shè)計(jì)在能量密度過高時(shí)會(huì)發(fā)生短路甚至火災(zāi)，這也是科學(xué)家們尋找替代它們的關(guān)鍵原因之一。

研究人員表示，另一方面，新型鈉基電池使用了一種自然滅火溶液，不受溫度變化的影響，并且可以在高壓狀態(tài)下工作。在陽(yáng)極上形成的超薄層是關(guān)鍵，提供了整體器件穩(wěn)定性。

研究人員表示，他們還測(cè)量了陰極氣體蒸汽的產(chǎn)生量，并發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的量是極小的。這將可以為科學(xué)家開發(fā)用于高溫工作的鈉離子電池穩(wěn)定電解質(zhì)提供了新的思路。

PNNL團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是通過改進(jìn)目前的電池設(shè)計(jì)，并與其他公司進(jìn)行試驗(yàn)，以減少并可能消除電池中通常使用的其他問題材料的使用，繼續(xù)其工作。他們說，其中一種是鈷，如果不回收或回收，鈷是有毒的，價(jià)格昂貴。

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：鈉離子電池

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