分析結果表明, 就性價比而言, 該鈉基電池優於鋰基電池; 而單就性能來看, 該新型鈉基電池優於市面上80%的鋰基電池.
鋰電池的成本問題
無論是推出最新超級電池的東芝, 還是一直在電池技術上處於霸主地位的特斯拉, 他們採用的電池都是基於鋰, 也就是大家常說的鋰電池.
鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料, 使用非水電解質溶液的電池. 1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出並研究, 20世紀70年代時, M. S. Whittingham提出並開始研究鋰離子電池.
由於鋰的化學性質非常活潑, 使得在鋰的加工, 保存和使用過程中對環境要求非常高, 所以, 鋰電池曾長期沒有得到應用, 不過隨著科學技術的發展, 鋰電池逐漸發展成為現在的主流.
但是此處值得注意的是, 雖然鋰具有優秀的性能, 地球上鋰的存儲量卻是極少的, 因此鋰的價格也十分之高.
而如今, 隨著人們對環境保護的需求增加, 加之風力和太陽能供電技術的發展, 我們對電力存儲能力的需求也隨之增加, 因此成本問題也愈加嚴峻.
研究初衷: 保性能, 降成本
就如何降低成本這一問題, 斯坦福大學的一支研究團隊研製出了一種新型鈉基電池, 並發表了最新論文. 在文中, 研究者在價格和性能兩方面詳細對比了鈉基電池與鋰基電池, 證明了該團隊開發的鈉基電池可以以更低的成本儲存與最先進的鋰離子電池相同的電量.
對於鋰電池卓越的存儲能力, 此次研究的主要作者鮑哲南 (音譯) 表示十分認可, 他說道: '鋰在電池領域始終佔據霸主地位, 它卓越的存儲能力是不容置疑的, 但是鋰礦的量是很少的, 因此利用鋰來製造電池的成本就會很高, 所以我們想要研製出利用地球上富足的元素來製造電池. '
研究表明, 電池材料的成本約佔電池總成本的1/4. 選用鋰礦, 每噸是15000美元, 而選用鈉礦, 每噸只有150美元, 這裡同等條件下, 鈉的成本只有鋰的1/10, 這也就是該研究團隊堅持選擇鈉的原因.
顛覆傳統電池構造: 鈉-肌醇
值得注意的是, 該研究團隊並不是第一個研究鈉基電池的團隊, 但此前在該方面研究的項目並未取得進展.
不同於之前已有的研究, 斯坦福大學的研究團隊採用的是與我們平時食用的鹽很相似的組成原理, 在食用鹽裡, 氯化物與鈉離子組合成鹽的基本成分: 氯化鈉; 而在這款鈉基電池裡, 研究人員將鈉離子與肌醇組合.
肌醇與鈉的組合不像氯化鈉一樣常見, 但是肌醇是工業界中一種常見的有機化合物, 它源於米糠, 現存在於嬰兒奶粉配方中.
在常用的鈉基電池中, 鈉構成陰極, 用於存儲電子, 在充電過程中, 電池內的化學物質磷將鈉極電子傳送到陽極端, 同理, 放電過程則相反. 在電流流動過程中, 如果陰極傳送電子和陽極釋放電子這兩個過程的效率都提高, 那麼整個電池的存儲和放電效率就會更高, 這樣電池的性能就會更優.
基於這一認識, 斯坦福大學的博士後學者Min Ah Lee及團隊成員改進了鈉與肌醇之間傳輸電子的性能, 具體改進方法不得而知, 但這一方法顯著提升了當前已有的鈉基電池的性能, 超越了此前所有的研究與嘗試.
研究成果: 性能優於80%的鋰基電池
這一項重大改進將鈉基電池與居於 '霸主' 地位的鋰基電池拉近了距離, 於是團隊開始將改進後的鈉基電池與現有的鋰電池進行比較和分析. 分析結果表明, 就性價比而言, 該鈉基電池優於鋰基電池; 而單就性能來看, 該新型鈉基電池優於市面上80%的鋰基電池.
為了進一步優化該電池的性能, 推動電池技術的商業應用, 研究團隊還優化了這種電池的充放電周期.
舉例來看這一優化的必要性, 如屋頂太陽能陣列將光能轉化為電力後, 電池將怎樣有效地存儲這種電能, 以及如何有效地將存儲的電力提供給房屋的燈等電力設備.
據團隊表示, 接下來, 他們開始考慮每立方體積內的能量密度, 即鈉離子電池要儲存與鋰離子系統相同的能量, 電池將會有多大, 以及怎樣改進電池的大小.
據了解, 為了更好地研究電池的充放電過程, 博士後學者Jihyun Hong和研究生Kipil Lim與SLAC國家加速器實驗室的科學家Chueh和Michael Toney合作,他們精確地研究了鈉離子如何與陰極附著和分離, 這有助於提高其整體電池設計和性能.
對於這一研究, 材料科學家崔毅 (音譯) 表示: '這已經是一個很好的設計, 但是我們有信心進一步優化磷的傳輸能力. '
