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由于鋰資源在全球范圍內逐漸減少，下一代便攜電子設備將可能不再采用鋰離子電池供電。其中一個引人注目的潛在替代者便是鈉離子電池，這是因為鈉元素廉價、無毒且儲量豐富。

目前，鈉離子電池最大的缺點之一是電池的充、放電時間過長，同時緩慢的放電速率不能給大功率設備輸出足夠的功率密度。一般而言，在充、放電速率和容量之間有一個權衡，以便在提高充、放電速率的同時不會顯著降低電池容量。

日前這個由德國伊爾梅瑙工業大學Yong Lei教授領導的研究一項新研究發表在《美國化學學會期刊》上。這項研究在鈉離子電池這方面取得了重大的進步。研究人員展示了一種鈉離子電池,其充電、放電速率和容量值達到了有機鈉離子電池和鋰離子電池的最大值。這一很大提高有助于為鈉離子電池在便攜設備和可穿戴電子產品中的應用鋪平道路。

為了提高鈉離子電池性能，研究人員不得不從鈉的最基本的性質開始考慮。通過測量鈉和鋰的電化學勢可知它們都易失去電子。這意味著它們可以成為很好的陽極材料。然而，鈉離子尺寸比鋰離子大了25%。更大的尺寸使鈉離子很難嵌入發生化學反應所在的電極晶體結構中。、因此鈉離子的移動速率就比較慢，這成為了鈉離子電池充、放電速率慢的根源。與該問題相關的還有電荷傳輸速率和材料的穩定性也需要提高。

盡管研究者不能減少鈉離子的大小,但他們可以提高鈉離子嵌入到電極的效率。為了做到這一點,研究人員在擴展π-共軛結構電極材料的基礎上采用了分子設計策略，進一步操縱了這些分子互相鍵合的方式。這種設計在物理結構上會形成由多個寬間隔的層組成的平臺結構，層間形成一個鈉離子可以更快通過的路徑。這種延伸π-共軛體系同時也能提高電荷傳輸速率，使充、放電狀態下的電極更穩定，更好地承受鈉離子的快速嵌入和脫出。

結構變化也導致了電池性能的顯著改善。雖然同樣還存在著充放電速率和容量之間的權衡。但新型鈉離子電池可以在容量高達72 mAh/g時，可以在比之前報道的有機鈉離子電池高1000倍（10A/g對100mA/g）的電流密度下工作(電流密度是電流充放電速率的一種表征)。

在中等電流密度下（1 A/g）,新型電池的可逆容量達到令人吃驚的160mAh/g，這一數值是迄今為止有機鈉離子電池和鋰離子電池所報道的最大值之一。

“這項工作中，我們關注于分子設計來提高電池性能，解決目前有機鋰離子電池中快速充放電的問題。” Lei 告訴Phys.org，“通過合理的分子設計策略，我們證明延伸π-共軛體系是提高速率性能的有效方法，并顯著提高了容量和循環特性。我們同樣認為我們的工作提供了一個由傳統無機材料到有機材料領域擴大尋找新的電極材料的很好的嘗試。在這方面可能會引起更多的關注。”

基于這項研究,科學家們計劃采用分子設計策略和其他創新的方法進一步提高電池性能。

Lei說：“我們將繼續專注于鈉離子電池，正如論文中所講，目前關于有機鈉離子電池的報道很少。因此對于有機鈉離子電池的研究還有很長的路要走。未來的目標包括：1）提高陰極和陽極的容量和循環特性；2）提高陰極和陽極的速率特性；3）調整電化學勢使電池達到合適的輸出電壓；4）發展環境友好和低成本材料。”