研究人員開發無負極鈉離子電池 外形更小/成本更低
時間:2021-05-21 08:51來源:蓋世汽車社區 作者:Elisha
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（圖片來源：WUSTL）
據外媒報道，圣路易斯華盛頓大學（Washington University in St. Louis）的Peng Bai實驗室開發出一種高效、穩定的無負極鈉離子電池。Peng Bai為該校能源、環境和化學工程系的助理教授。與傳統鋰離子電池相比，這種電池要小得多，而且成本更低。
傳統的鋰離子電池由正極和負極組成，二者都可以存儲鋰離子；兩個電極之間有隔板；離子通過電解液移動。當鋰離子從負極流向正極時，自由電子通過集流器流向需要供電的設備，而鋰離子則通過隔板流向正極。這一充電過程是可逆的，鋰離子也會從正極通過隔板到達負極。
用鈉離子取代鋰離子，并取消負極的概念并不新鮮。但研究人員表示，這種無負極電池總是很快就失效，或者容量非常低，或者需要對集流器進行特殊處理。由于枝晶生長，無負極電池往往很不穩定。以往，這被歸咎于堿金屬的反應性，在無負極電池中，也就是金屬鈉。
在新電池設計中，負極側只用一層銅箔作為集流器，即電池中沒有活性負極材料。鈉離子不是流動到負極，而是被轉化為金屬，直到再返回正極。首先，它們將自己鍍在銅箔上，等到需要回到正極時，它們又溶解了。研究人員Bingyuan Ma表示：“據我們觀察，電池中沒有形成枝晶。而且，鈉離子沉積物平整，帶有金屬光澤。關于這種堿金屬，我們從來沒有觀察到過這種生長模式。”
研究人員開發的是一種獨特的透明微管電池，可以從新的視角觀察電池。傳統上，必須將電池打開，才能檢測其中存在的問題。但是，這種后發式觀察的作用有限。Bai表示：“電池的不穩定性都是在運行過程中累積形成的。真正重要的是，動態過程中的不穩定因素，但這是沒有辦法表征的。”通過觀察透明無負極微管電池，“我們可以清楚地看到，如果不好好控制電解液，你會發現各種不穩定因素。”包括枝晶的形成。
從本質上來說，這要歸結于電解液中有多少水。堿金屬可以與水反應。研究團隊嘗試減少水含量。在觀察電池的運行過程中，研究人員發現光滑的、有光澤的鈉沉積物。正是材料的光滑性，消除了枝晶形成的可能性。
zBai表示：“我們對微管電池進行檢測，并發現電解液的干燥過程更長。大家都在談論電池中的含水量，但在以前的研究中，人們通常認為，水的數量只是需要注意的一個統計數據。實際上，這是關鍵所在。
“含水量必須低于百萬分之十。正是認識到這一點，才制造出了微管電池，而且是工作電池。從性能上看，這種電池類似于標準的鋰離子電池，但是因為沒有負極，所占用的空間要少得多。”
研究人員表示，電動汽車中有四分之一的成本來自于電池。鈉離子電池的能量密度與鋰離子電池相當，但使用的是比鋰更常見的金屬，而且因為沒有負極，比目前的鋰離子電池更小，成本更低。
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