锂离子电池已经成为了各个行业的储能首选, 从手机到汽车, 几乎无所不包. 但是它的电极材料比较稀有, 因此开采和精炼占据了成本的大头. 多年来, 我们一直在寻找更实惠的替代品. 而斯坦福大学的研究人员们, 就将目光瞄向了古老的材料 (盐/NaCl) 上——其最新研制的钠离子电池, 能够以80%不到的成本, 存储与锂离子电池相当的能量!
图1: Na 2C6O6分子结构, 及其在纳电池中, 于不同条件下所表现的电化学性质 (不一致的相变) .
斯坦福大学最新开发的钠离子电池, 已在储能成本上将锂离子电池远远抛在后头. 地球拥有广阔的海洋和盐湖等钠盐来源, 因而钠离子无疑成为了一个完美的低成本储能候选.
图2: Na 2C6O6充钠-去钠 (嵌纳-脱纳) 过程的相位变换.
此外钠电池可以有许多种形态, 比如笔记本电脑上常见的18650电芯. 首席研究者Zhenan Bao表示: '性能上, 锂元素暂时还找不到对手. 但它实在太贵太稀有, 因而我们需要开发元素更加丰富, 成本更加低廉的钠基电池' .
图3: Na 2C6O6在充钠-去钠 (嵌纳-脱纳) 过程中的电压变化.
斯坦福团队采用了钠盐电极的设计, 充上正电荷的钠离子会游向充负电荷的磷正极——这两种元素在自然界中的储量都很丰富. 研究人员还称: 为了改进充放电循环周期, 他们分析了电池工作时, 钠离子附着和脱离阴极的原子力水平.
图4: 可逆相变期间的形态学变化, 以及Na 2C6O6储钠的氧化-还原机制.
最终, 他们的钠离子电池实现了高达484mAh/g的可逆容量, 以及726Wh/kg的能量密度. 新电池的能源效率据称超过了87%, 至于最重要的成本方面, 研究人员声称可以80%不到的投入, 实现与锂离子电池相当的储电量.
图5: Na 2C6O6电极在半电池和全电池中的电化学四储钠表现.
下一步, 团队将在磷阳极上投入更多精力, 以便压榨出钠离子电池的更多性能. 与锂离子相比, 团队也希望进一步提升钠离子电池的体积能量密度. 这项研究的详情, 已经发表在近日出版的《自然能源》 (Nature Energy) 期刊上.
