图片来源: 普渡大学
现今人们相当依赖锂离子电池, 在电动车与电池储能系统的带动下, 锂电池与锂矿的需求更是与日俱增, 然而锂原料终有用尽的一天, 到时是否会发生能源浩劫?
因此美国普渡大学转向瞄准原料更加丰富, 材料也较为便宜的钠离子电池, 近期更成功解决钠离子电池在充放电离子「迷路」难题, 进一步提升电池充放电稳定性与容量.
钠在地壳蕴含量与成本方面都略胜锂矿一筹, 其中钠地壳含量多达2.6%, 蕴含量排行第6多, 相较之下锂才27名, 若以成本来说, 锂与钠更是相差100倍, 锂每公吨约15,000美元, 钠则是150美元, 显然钠在电池的赢面更大, 但为何钠离子电池至今仍无法达到商业化?
目前科学家已经可以控制钠遇水燃烧反应, 只是在迈向商业化的道路, 钠离子电池还有一大障碍待解决──在电池充放电途中钠离子容易迷路.
钠离子电池运作方式跟锂离子电池一样, 主要依靠钠离子在阴极和阳极之间移动来运作, 但钠离子在充放电期间容易附着在阳极, 而不会往阴极移动.
这种情形也被称为固体电解质界面 (solid-electrolyteinterphase, SEI) , 离子会在石墨电极上形成千分之公厘厚的薄膜, 可保护碳粒与酸性电解质发生有害反应, 同时让离子在电极跟电解质之间穿梭, 普渡大学化学工程副教授Vilas Pol表示, 出现SEI现象并非坏事, 只是SEI薄膜太厚会消耗充电所需的钠离子.
因此普渡大学提出一项解决方案, 若把钠制成粉末状, 就可以为SEI提供所需的钠来保护碳粒, 也不会消耗充放电所需的钠离子.
研究为了减少钠与水气的接触, 团队在装满惰性气体氩气的手套箱进行实验, 并利用超声波把块状钠融化成像是葡萄牛奶般的液体, 最后再将液体冷却, 并将他们悬浮于己烷溶液中, 让钠颗粒在溶液中可均匀分布.
实验结果也相当符合科学家的期待, 在阳极或是阴极滴入几滴钠悬浮液 (suspension) 后, 钠离子电池充放电稳定性与电池容量皆有效提高. Pol表示, 只要略为修改电极加工制程就能提升电池性能, 这也是帮助钠离子电池迈向商业化的另一种方式.
虽然钠离子的体积约为锂离子的两倍, 重量或是能量密度或许无法比锂离子电池相比, 但该技术成本较低, 有望大幅降低电网级电池储能系统成本, 各方研究机构皆引颈期盼钠离子电池的发展, 目前普渡大学新技术已提交临时申请.
