鋰離子電池已經成為了各個行業的儲能首選, 從手機到汽車, 幾乎無所不包. 但是它的電極材料比較稀有, 因此開採和精鍊佔據了成本的大頭. 多年來, 我們一直在尋找更實惠的替代品. 而斯坦福大學的研究人員們, 就將目光瞄向了古老的材料 (鹽/NaCl) 上——其最新研製的鈉離子電池, 能夠以80%不到的成本, 存儲與鋰離子電池相當的能量!
圖1: Na 2C6O6分子結構, 及其在納電池中, 於不同條件下所表現的電化學性質 (不一致的相變) .
斯坦福大學最新開發的鈉離子電池, 已在儲能成本上將鋰離子電池遠遠拋在後頭. 地球擁有廣闊的海洋和鹽湖等鈉鹽來源, 因而鈉離子無疑成為了一個完美的低成本儲能候選.
圖2: Na 2C6O6充鈉-去鈉 (嵌納-脫納) 過程的相位變換.
此外鈉電池可以有許多種形態, 比如筆記型電腦上常見的18650電芯. 首席研究者Zhenan Bao表示: '性能上, 鋰元素暫時還找不到對手. 但它實在太貴太稀有, 因而我們需要開發元素更加豐富, 成本更加低廉的鈉基電池' .
圖3: Na 2C6O6在充鈉-去鈉 (嵌納-脫納) 過程中的電壓變化.
斯坦福團隊採用了鈉鹽電極的設計, 充上正電荷的鈉離子會遊向充負電荷的磷正極——這兩種元素在自然界中的儲量都很豐富. 研究人員還稱: 為了改進充放電迴圈周期, 他們分析了電池工作時, 鈉離子附著和脫離陰極的原子力水平.
圖4: 可逆相變期間的形態學變化, 以及Na 2C6O6儲鈉的氧化-還原機制.
最終, 他們的鈉離子電池實現了高達484mAh/g的可逆容量, 以及726Wh/kg的能量密度. 新電池的能源效率據稱超過了87%, 至於最重要的成本方面, 研究人員聲稱可以80%不到的投入, 實現與鋰離子電池相當的儲電量.
圖5: Na 2C6O6電極在半電池和全電池中的電化學四儲鈉表現.
下一步, 團隊將在磷陽極上投入更多精力, 以便壓榨出鈉離子電池的更多性能. 與鋰離子相比, 團隊也希望進一步提升鈉離子電池的體積能量密度. 這項研究的詳情, 已經發表在近日出版的《自然能源》 (Nature Energy) 期刊上.
