鋰離子電池?zé)o處不在，不僅用于耳機(jī)、手機(jī)和汽車，還在儲(chǔ)存可再生能源的大型設(shè)施中發(fā)揮重要作用。然而，鋰本身相對(duì)稀缺，只存在于少數(shù)幾個(gè)國(guó)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，這可能意味著需要一種不同的電池。美國(guó)芝加哥大學(xué)的電池化學(xué)家Y. Shirley Meng說：“我不知道僅靠鋰離子能否實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

美國(guó)俄克拉荷馬州一個(gè)設(shè)施的鹽堆證明，鈉并不缺乏。圖源：JIM WEST/REPORT DIGITAL-REA VIA REDUX

一種有幾十年歷史的技術(shù)或許能夠應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，即用鈉離子而非鋰離子攜帶和儲(chǔ)存電荷的電池。鈉在海水和鹽礦中隨處可見，因此供應(yīng)和成本都不是問題。但鈉在儲(chǔ)存電能方面不如鋰，因?yàn)殁c離子比鋰離子大3倍，這限制了它們進(jìn)出現(xiàn)有電池電極的能力。全球?qū)嶒?yàn)室正在開發(fā)新的電極材料來解決這一問題。過去6個(gè)月中，已有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)宣布他們研發(fā)的鈉電池的儲(chǔ)能與低端鋰電池相當(dāng)。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的電池化學(xué)家Dan Steingart說：“這種進(jìn)步令人驚嘆。”商用鈉離子電池也開始應(yīng)用于電動(dòng)汽車、踏板車和電網(wǎng)儲(chǔ)能。

不過，研究人員指出，鈉離子電池廣泛應(yīng)用還無法實(shí)現(xiàn)。“我們還沒有進(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，這些電池的性能仍遠(yuǎn)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(dān)憂，而且由于供應(yīng)過剩，鋰的價(jià)格在過去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)陽極的鈉離子數(shù)量較少。這就需要更大的電池來儲(chǔ)存相同的電量，從而增加了成本和體積。鈉電池的存儲(chǔ)容量甚至不到最好的鋰電池的一半，后者每公斤可存儲(chǔ)300瓦時(shí)以上的能量。但美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電池化學(xué)家Gui-Liang Xu說：“我們有多種途徑可以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。”

一種方法是改變陽極成分。大多數(shù)鋰離子電池使用石墨，這是一種碳，其緊密的層狀結(jié)構(gòu)往往會(huì)排斥鈉離子。許多研究人員轉(zhuǎn)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)減少陽極的儲(chǔ)能容量。但研究人員發(fā)現(xiàn)，在陽極中加入錫可以解決這一問題。在碳基質(zhì)上，每個(gè)錫原子可以結(jié)合3.75個(gè)鈉離子，從而提高陽極儲(chǔ)存鈉的能力，進(jìn)而提高儲(chǔ)能。

另一種改進(jìn)方法是調(diào)整帶正電荷的陰極成分，從而使鈉更好地儲(chǔ)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(jié)構(gòu)，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(guó)休斯敦大學(xué)化學(xué)家Pieremanuele Canepa領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)建模和X射線衍射技術(shù)，確定了一種優(yōu)化NaVPO晶體結(jié)構(gòu)的方式。Canepa和同事2024年10月23日在《自然-材料》報(bào)告稱，他們不僅合成了這種新材料，還將其應(yīng)用于鈉離子電池陰極，可比之前的NaVPO設(shè)計(jì)多儲(chǔ)存15%的能量。

另一種更激進(jìn)的方法是用有機(jī)化合物制造陰極，這些化合物也能形成存儲(chǔ)和釋放鈉離子的層狀結(jié)構(gòu)。許多有機(jī)物在電池電解質(zhì)中會(huì)分解，但在2月5日出版的《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Mircea Dinca研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，他們創(chuàng)造了一種更耐用的層狀有機(jī)陰極，名為TAQ，不僅在數(shù)千次充放電中保持穩(wěn)定，而且能量密度在鈉離子陰極中也是最高的。Canepa稱其為“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，目前鋰的低成本削弱了鈉的主要賣點(diǎn)。鈉離子電池制造商仍然太少，無法從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益。

美國(guó)斯坦福大學(xué)的材料科學(xué)家William Chueh說，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(píng)估了生產(chǎn)鈉離子電池的6000多種路線圖，發(fā)現(xiàn)要想與低成本的鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)，研究人員需要取得幾項(xiàng)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。他說，關(guān)于鈉離子電池的基本化學(xué)原理的研究，“我們?nèi)蕴幱谠缙陔A段”。

相關(guān)論文信息：

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

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