圖片來源: 普渡大學
現今人們相當依賴鋰離子電池, 在電動車與電池儲能系統的帶動下, 鋰電池與鋰礦的需求更是與日俱增, 然而鋰原料終有用盡的一天, 到時是否會發生能源浩劫?
因此美國普渡大學轉向瞄準原料更加豐富, 材料也較為便宜的鈉離子電池, 近期更成功解決鈉離子電池在充放電離子「迷路」難題, 進一步提升電池充放電穩定性與容量.
鈉在地殼蘊含量與成本方面都略勝鋰礦一籌, 其中鈉地殼含量多達2.6%, 蘊含量排行第6多, 相較之下鋰才27名, 若以成本來說, 鋰與鈉更是相差100倍, 鋰每公噸約15,000美元, 鈉則是150美元, 顯然鈉在電池的贏面更大, 但為何鈉離子電池至今仍無法達到商業化?
目前科學家已經可以控制鈉遇水燃燒反應, 只是在邁向商業化的道路, 鈉離子電池還有一大障礙待解決──在電池充放電途中鈉離子容易迷路.
鈉離子電池運作方式跟鋰離子電池一樣, 主要依靠鈉離子在陰極和陽極之間移動來運作, 但鈉離子在充放電期間容易附著在陽極, 而不會往陰極移動.
這種情形也被稱為固體電解質界面 (solid-electrolyteinterphase, SEI) , 離子會在石墨電極上形成千分之公釐厚的薄膜, 可保護碳粒與酸性電解質發生有害反應, 同時讓離子在電極跟電解質之間穿梭, 普渡大學化學工程副教授Vilas Pol表示, 出現SEI現象並非壞事, 只是SEI薄膜太厚會消耗充電所需的鈉離子.
因此普渡大學提出一項解決方案, 若把鈉製成粉末狀, 就可以為SEI提供所需的鈉來保護碳粒, 也不會消耗充放電所需的鈉離子.
研究為了減少鈉與水氣的接觸, 團隊在裝滿惰性氣體氬氣的手套箱進行實驗, 並利用超聲波把塊狀鈉融化成像是葡萄牛奶般的液體, 最後再將液體冷卻, 並將他們懸浮於己烷溶液中, 讓鈉顆粒在溶液中可均勻分布.
實驗結果也相當符合科學家的期待, 在陽極或是陰極滴入幾滴鈉懸浮液 (suspension) 後, 鈉離子電池充放電穩定性與電池容量皆有效提高. Pol表示, 只要略為修改電極加工製程就能提升電池性能, 這也是幫助鈉離子電池邁向商業化的另一種方式.
雖然鈉離子的體積約為鋰離子的兩倍, 重量或是能量密度或許無法比鋰離子電池相比, 但該技術成本較低, 有望大幅降低電網級電池儲能系統成本, 各方研究機構皆引頸期盼鈉離子電池的發展, 目前普渡大學新技術已提交臨時申請.
