鈉離子電池新合成陰極材料的過(guò)渡電子顯微鏡圖像（左圖）。

上圖顯示當(dāng)循環(huán)時(shí)，層狀陰極結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力（右圖）。

能源部研究人員在創(chuàng)造更好、更便宜的商業(yè)用儲(chǔ)能裝置方面取得了進(jìn)展。

美國(guó)能源部(DoE)的研究人員有了一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，他們稱(chēng)這種發(fā)現(xiàn)可以提高一種化學(xué)電池的性能，這種化學(xué)電池有望取代電動(dòng)汽車(chē)的鋰離子電池。

能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了鈉離子電池在多次充放電循環(huán)后性能受限的一個(gè)關(guān)鍵因素。研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)為這類(lèi)型的電池的新設(shè)計(jì)鋪平了道路，這類(lèi)電池既可用于電動(dòng)汽車(chē)，也可用于其他商業(yè)用途。

由于幾點(diǎn)原因，鈉離子電池在未來(lái)是代替鋰離子電池的最佳選擇。鈉是天然豐富的物質(zhì)材料，而且對(duì)環(huán)境的影響要小得多，而且比鋰的來(lái)源更便宜。此外，研究人員說(shuō)，當(dāng)在高電壓(4.5伏)下循環(huán)時(shí)，鈉離子電池在任何給定的重量或體積下都具有很高的能量存儲(chǔ)容量。

研究人員表示，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在鈉離子電池陰極材料的制備過(guò)程中，原子結(jié)構(gòu)存在缺陷。而這些缺陷最終會(huì)導(dǎo)致陰極發(fā)生類(lèi)似于結(jié)構(gòu)地震的情況，在電池循環(huán)階段中進(jìn)而出現(xiàn)性能的災(zāi)難性下降。

研究人員表示，目前通過(guò)技術(shù)有助于電池研發(fā)人員調(diào)整合成條件，為電池制造優(yōu)越的鈉離子陰極，從而提高電池性能。

阿貢杰出研究人員Khalil Amine在新聞聲明中表示：“我們的見(jiàn)解對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)改良的鈉離子陰極至關(guān)重要。由于涉及的材料很多，比如1000公斤，溫度會(huì)有很大的變化，除非采取適當(dāng)?shù)拇胧?，否則會(huì)導(dǎo)致許多缺陷的形成。”

探索材料的合成

研究人員在阿貢納米材料中心（CNM）和先進(jìn)光子源（APS）從事研究工作，他們?cè)谶@里合成陰極材料，從而實(shí)時(shí)可以追蹤其原子結(jié)構(gòu)的變化。

在這一過(guò)程中，材料的制造者需要在空氣中緩慢地將陰極混合物加熱到非常高的溫度，保持一定的時(shí)間，然后迅速將溫度降至室溫。

研究人員在分析中發(fā)現(xiàn)，在迅速降溫期間，陰極粒子表面變得不太光滑，并顯示出大面積應(yīng)變。數(shù)據(jù)還顯示，在陰極循環(huán)過(guò)程中，這些區(qū)域會(huì)發(fā)生拔河效應(yīng)，導(dǎo)致陰極粒子開(kāi)裂，性能下降。

研究人員表示，更多的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰極在高溫時(shí)，或130華攝氏度，或當(dāng)電池快充狀態(tài)下（如，1小時(shí)快充vs 10小時(shí)充電），都會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。

研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》雜志中發(fā)表論文。

阿貢化學(xué)科學(xué)與工程部助理化學(xué)師Guiliang Xu參與了這項(xiàng)研究，他說(shuō)，研究人員計(jì)劃將這項(xiàng)工作與早期的研究(改進(jìn)鈉離子電池陽(yáng)極)結(jié)合起來(lái)，使未來(lái)設(shè)備的性能提高20%到40%。

Guiliang Xu說(shuō)：“另外，電池將在高壓下長(zhǎng)期循環(huán)時(shí)保持這種性能也是非常重要的。”這可以使價(jià)格更合適的電動(dòng)汽車(chē)擁有更長(zhǎng)的行駛里程，還能降低電網(wǎng)儲(chǔ)能成本。

中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)  楊柳翻譯

2022.5.23